LÁSERES: los orígenes
L: LIGHT
A: AMPLIFICATION by
S: STIMULATED
E: EMISSION of
R: RADIATION
Contenido
1. La luz como una onda electromagnética
2. Los estudios precursores cuánticos sobre la emisión
de luz
3. Las condiciones adicionales para conseguir luz láser
4. Las propiedades de la luz láser
5. Algunos láseres de materiales activos sólidos,
líquidos, gaseosos y semiconductores
6. Regímenes de onda continua y de emisión pulsada
7. Algunas aplicaciones
8. Protección
Luz blanca y descomposición
1.1.Espectro Electromagnético
1.2. Espectros de algunas fuentes
luminosas: continuos y discontinuos
Espectro de nuestro Sol
Lámpara
incandescente
Vapor de
mercurio
Elemento
fluorescente
1.3. Espectros de elementos: más
discontinuos los más simples
Hidrógeno
Helio
Mercurio
1.4. Radiación de cuerpo negro,
emisiones discontinuas y líneas “puras”
¡El láser es un tipo de EMISIÓN luminosa diferente! : emite líneas espectrales más “puras”
1.5. El láser puede emitir una sola línea
espectral muy estrecha
2.1. Radiación de cuerpo negro: efecto cuántico
(Planck, 1900)
No depende del material, solo de T
2.2. Líneas espectrales de elementos: niveles atómicos de energía cuantizados (Bohr, 1912)
Vemos los niveles de
energía en los espectros
2.3. Absorción y emisión: transiciones
electrónicas entre niveles y fotones
Un proceso es el opuesto del otro. La energía se conserva. Emisión espontánea.
2.4. Otro proceso que conserva energía: emisión
estimulada (Einstein, 1917)
El segundo fotón TIENE que emitirse en sincronía con el original.
3.1. Bombeo e inversión de población.
La emisión estimulada no prevalece sobre la espontánea ¿por qué?
Población normal: ¡hay que invertirla! (Basov, Prokhorov, Townes, Shawlow, 1950’s)
3.2. Resonador: onda estacionaria
3.3. Varios niveles
4.1 Direccionalidad
4.2 Monocromaticidad
4.3 Coherencia
4.4 Modos transversales
4.5. Speckle (Granulado o moteado
coherente).
5. Láseres
5.1. MASER (Charles H. Townes, Gordon, Zeiger, 1954) micro-ondas (1 cm), 10 nW
5.2. RUBÍ Cr: AlO3 (Theodore H. Maiman, 1960) Pulso mseg, 694.3 nm
5. Láseres
5.3. He-Ne (Javan, 1962) continuo, 632.8 nm
5.4. CO2 ( Kumar Patel, 1964) continuo, infrarrojo 10.6 micrones
5. Láseres
5.5. Semiconductor (grupo de Alferov del Ioffe Physico-Technical Institute y Mort
Panish y Izuo Hayashi en Bell Labs producen el 1er laser semiconductor onda
continua a temperatura ambiente, 1970)
5.6. Colorantes (B. Soffer y W. McFarland inventan el laser de colorante sintonizable,
1967. Sorokin) continuo, líneas ajustables nm, pulsos de femtosegundos
5. Láseres
5.7. Argón (W. Bridges, 1964) continuo, multilíneas 514.5, 488 nm , Kriptón. N2 UV
5.8. Cristales Nd:YAG (J. E. Geusic, R. G. Smith, 1964) continuo, infrarrojo 1064 nm,
doblado en frecuencia 532 nm. Nd:YVO4
5. Láseres
5.9. Excímero o exiplex (Basov, V.A. Danilychev and Yu. M. Popov desarrollaron el láser
excimer –excímero- en el Instituto de Física P.N. Lebedev, 1970) Gas inerte (Ar, Kr, Xe) +
reactivo (F2: flúor, Cl: cloro) UV (126nm Ar+, 337nm N2, 308nm XeCl) 10-100 mW.
5.10. Free-electron laser (John Madey, 1976, electrones relativistas, sintonizable r.X-micro)
6. Otros regímenes: régimen pulsado
6.1. Q-switching. con Fred J. McClung, Hellwarth prueba su teoría laser, generando
potencias pico 100 veces superiores a las de láseres de rubí ordinarias usando
conmutación eléctrica de obturadores con celda Kerr (1962).
6.2. Amarre de modos, dos láseres son sometidos a la técnica de phase-locked
(amarre de modos) en Bell Labs, paso importante para comunicaciones (1965)
6. Otros regímenes: régimen pulsado
6.3. Ablación láser
6.4. Doble cavidad
6. Otros regímenes: Optical Parametric
Oscillator (OPO)
7. Aplicaciones
7.1. Cortes industriales (metal, plásticos, vidrio)
7.2. Cirugía (ablación)
7. Aplicaciones
7.3. Medición de distancias, apuntador
7.4. Reacciones y procesos inducidos
7. Aplicaciones
7.5. Comunicaciones
7.6. Impresiones
7. Aplicaciones
7.7. Metrología (Interferometría)
7.8. Holografía, CD, DVD
7. Aplicaciones
7.9. Fusión nuclear (confinamiento inercial)
7.10. Scanner
7. Aplicaciones
7.11. LIDAR (Light Detection and Ranging)
7.12. Pinzas ópticas
7. Clasificación de seguridad
Class 1
CLASS 1 LASER PRODUCT
A class 1 laser is safe under all conditions of normal use. This means the maximum permissible exposure (MPE) cannot be
exceeded. This class includes high-power lasers within an enclosure that prevents exposure to the radiation and that cannot be
opened without shutting down the laser. For example, a continuous laser at 600 nm can emit up to 0.39 mW, but for shorter
wavelengths, the maximum emission is lower because of the potential of those wavelengths to generate photochemical
damage. The maximum emission is also related to the pulse duration in the case of pulsed lasers and the degree of spatial
coherence.
Class 1M
LASER RADIATION
DO NOT VIEW DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTS
CLASS 1M LASER PRODUCT
A Class 1M laser is safe for all conditions of use except when passed through magnifying optics such as microscopes and
telescopes. Class 1M lasers produce large-diameter beams, or beams that are divergent. The MPE for a Class 1M laser cannot
normally be exceeded unless focusing or imaging optics are used to narrow the beam. If the beam is refocused, the hazard of
Class 1M lasers may be increased and the product class may be changed. A laser can be classified as Class 1M if the total
output power is below class 3B but the power that can pass through the pupil of the eye is within Class 1.
Class 2
LASER RADIATION
DO NOT STARE INTO BEAM
CLASS 2 LASER PRODUCT
A Class 2 laser is safe because the blink reflex will limit the exposure to no more than 0.25 seconds. It only applies to visiblelight lasers (400–700 nm). Class-2 lasers are limited to 1 mW continuous wave, or more if the emission time is less than 0.25
seconds or if the light is not spatially coherent. Intentional suppression of the blink reflex could lead to eye injury. Many laser
pointers are class 2.
7. Clasificación de seguridad
Class 2M
LASER RADIATION
DO NOT STARE INTO BEAM OR VIEW
DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTS
CLASS 2M LASER PRODUCT
A Class 2M laser is safe because of the blink reflex if not viewed through optical instruments. As with class 1M, this applies to
laser beams with a large diameter or large divergence, for which the amount of light passing through the pupil cannot exceed
the limits for class 2.
Class 3R
LASER RADIATION
AVOID DIRECT EYE EXPOSURE
CLASS 3R LASER PRODUCT
A Class 3R laser is considered safe if handled carefully, with restricted beam viewing. With a class 3R laser, the MPE can be
exceeded, but with a low risk of injury. Visible continuous lasers in Class 3R are limited to 5 mW. For other wavelengths and for
pulsed lasers, other limits apply.
Class 3B
LASER RADIATION
AVOID EXPOSURE TO BEAM
CLASS 3B LASER PRODUCT
A Class 3B laser is hazardous if the eye is exposed directly, but diffuse reflections such as from paper or other matte surfaces
are not harmful. Continuous lasers in the wavelength range from 315 nm to far infrared are limited to 0.5 W. For pulsed lasers
between 400 and 700 nm, the limit is 30 mJ. Other limits apply to other wavelengths and to ultrashort pulsed lasers. Protective
eyewear is typically required where direct viewing of a class 3B laser beam may occur. Class-3B lasers must be equipped with a
key switch and a safety interlock.
7. Clasificación de seguridad
Class 4
LASER RADIATION
AVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO
DIRECT OR SCATTERED RADIATION
CLASS 4 LASER PRODUCT
Class 4 lasers include all lasers with beam power greater than class 3B. By definition, a class-4 laser can burn the skin, in
addition to potentially devastating and permanent eye damage as a result of direct or diffuse beam viewing. These lasers may
ignite combustible materials, and thus may represent a fire risk. Class 4 lasers must be equipped with a key switch and a safety
interlock. Most entertainment, industrial, scientific, military, and medical lasers are in this category.
Etiqueta de advertencia para
láseres clase 2 y mayores
7. Láseres en el Laboratorio de
Interferometría de la
Fac. Ciencias Físico-Matemáticas, BUAP
He-Ne , CW, 30 mW
Ar + , CW, 2 W
Nd:YVO4 , CW, 2 W
Nd:YLF , PIV, 4-10 mJ
En espera de un OPO adquirido…
Conclusiones
o El láser emite por emisión estimulada
o La luz láser es monocromática (línea espectral muy fina)
o La luz láser es muy ordenada (coherente)
o La luz láser es muy direccional
o La emisión concentra la energía en un área pequeña
o La luz láser presenta granulación o moteado coherente
o La emisión láser puede ser visible, en micro-ondas, infrarroja, ultravioleta o rayos X
o La emisión puede ser continua, por pulsos o por impulsos
o La duración de los pulsos puede ser de milisegundos, microsegundos,
nanosegundos, picosegundos o femtosegundos
o Las frecuencias de los pulsos pueden ir de Hertz a kiloHertz
o La emisión puede ser de micro Watts, mili Watts, Watts, cientos de Watts o de
mayores potencias
o Algunas de sus aplicaciones son: alineaciones, medición de distancias, cortes
(madera, acrílicos, metales), cirugía (retina, córnea, depilación, cálculos),
informática (fibras, telefonía, internet, memorias, scanners), impresoras, shows,
imágenes y… muchas otras más…
¡Gracias por su amable atención…!
El Rayo de la Muerte
Goldfinger,
1964
The Empire
Strikes Back,
1980
Goldfinger,
1964
Goldfinger,
1964
Die Another
Day,
2002
Algunas técnicas: Chirp Pulse
Amplification
SI multiples for watt (W)
Submultiples
Multiples
Value
Symb
ol
Name
Value
Symb
ol
Name
10−1
W
dW
deciw
att
101 W
daW
decaw
att
10−2
W
cW
centi
watt
102 W
hW
hecto
watt
10−3
W
mW
milliw
att
103 W
kW
kilow
att
10−6
W
µW
micro
watt
106 W
MW
mega
watt
10−9
W
nW
nano
watt
109 W
GW
gigaw
att
10−12
W
pW
picow
att
1012
W
TW
teraw
att
10−15
W
fW
femto
watt
1015
W
PW
petaw
att
10−18
W
aW
attow
att
1018
W
EW
exawa
tt
10−21
W
zW
zepto
watt
1021
W
ZW
zetta
watt
10−24
W
yW
yocto
watt
1024
W
YW
yotta
watt
Common multiples are in bold face
Algunas técnicas: generación
de armónicos
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Introducción a los Láseres