1 L: LIGHT A: AMPLIFICATION by S: STIMULATED E: EMISSION of R: RADIATIONLÁSERES: los orígenes L: LIGHT A: AMPLIFICATION by S: STIMULATED E: EMISSION of R: RADIATION

2 Contenido La luz como una onda electromagnéticaLos estudios precursores cuánticos sobre la emisión de luz Las condiciones adicionales para conseguir luz láser Las propiedades de la luz láser Algunos láseres de materiales activos sólidos, líquidos, gaseosos y semiconductores Regímenes de onda continua y de emisión pulsada Algunas aplicaciones Protección

3 Luz blanca y descomposición

4 1.1.Espectro Electromagnético

5 1.2. Espectros de algunas fuentes luminosas: continuos y discontinuosEspectro de nuestro Sol Lámpara incandescente Vapor de mercurio Elemento fluorescente

6 1.3. Espectros de elementos: más discontinuos los más simplesHidrógeno Helio Mercurio

7 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”

8 1.5. El láser puede emitir una sola línea espectral muy estrecha

9 2.1. Radiación de cuerpo negro: efecto cuántico (Planck, 1900)No depende del material, solo de T 2.2. Líneas espectrales de elementos: niveles atómi-cos de energía cuantizados (Bohr, 1912) Vemos los niveles de energía en los espectros

10 2.3. Absorción y emisión: transiciones electrónicas entre niveles y fotonesUn 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.

11 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)

12 3.2. Resonador: onda estacionaria

13 3.3. Varios niveles

14 4.1 Direccionalidad 4.2 Monocromaticidad

15 4.3 Coherencia 4.4 Modos transversales

16 4.5. Speckle (Granulado o moteado coherente).

17 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, nm

18 5. Láseres 5.3. He-Ne (Javan, 1962) continuo, 632.8 nm5.4. CO2 ( Kumar Patel, 1964) continuo, infrarrojo 10.6 micrones

19 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, Sorokin) continuo, líneas ajustables nm, pulsos de femtosegundos

20 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

21 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) mW. 5.10. Free-electron laser (John Madey, 1976, electrones relativistas, sintonizable r.X-micro)

22 6. Otros regímenes: régimen pulsado6.1. 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)

23 6. Otros regímenes: régimen pulsado6.3. Ablación láser 6.4. Doble cavidad

24 6. Otros regímenes: Optical Parametric Oscillator (OPO)

25 7. Aplicaciones 7.1. Cortes industriales (metal, plásticos, vidrio)7.2. Cirugía (ablación)

26 7. Aplicaciones 7.3. Medición de distancias, apuntador7.4. Reacciones y procesos inducidos

27 7. Aplicaciones 7.5. Comunicaciones 7.6. Impresiones

28 7. Aplicaciones 7.7. Metrología (Interferometría)7.8. Holografía, CD, DVD

29 7. Aplicaciones 7.9. Fusión nuclear (confinamiento inercial)7.10. Scanner

30 7. Aplicaciones 7.11. LIDAR (Light Detection and Ranging)7.12. Pinzas ópticas

31 7. Clasificación de seguridadClass 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 visible-light 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.

32 7. Clasificación de seguridadClass 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.

33 7. Clasificación de seguridadClass 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 Chirped pulse amplification (CPA) is a technique for amplifying an ultrashort laser pulse up to the petawatt level with the laser pulse being stretched out temporally and spectrally prior to amplification.CPA is the current state of the art technique which all of the highest power lasers (greater than about 100 terawatts). Peta=1015,Zetta=1021.

34 7. Láseres en el Laboratorio de Interferometría de la Fac7. Láseres en el Laboratorio de Interferometría de la Fac. Ciencias Físico-Matemáticas, BUAP He-Ne , CW, 30 mW Chirped pulse amplification (CPA) is a technique for amplifying an ultrashort laser pulse up to the petawatt level with the laser pulse being stretched out temporally and spectrally prior to amplification.CPA is the current state of the art technique which all of the highest power lasers (greater than about 100 terawatts). Peta=1015,Zetta=1021. Ar + , CW, 2 W Nd:YVO4 , CW, 2 W Nd:YLF , PIV, 4-10 mJ En espera de un OPO adquirido…

35 Conclusiones El láser emite por emisión estimuladaLa luz láser es monocromática (línea espectral muy fina) La luz láser es muy ordenada (coherente) La luz láser es muy direccional La emisión concentra la energía en un área pequeña La luz láser presenta granulación o moteado coherente La emisión láser puede ser visible, en micro-ondas, infrarroja, ultravioleta o rayos X La emisión puede ser continua, por pulsos o por impulsos La duración de los pulsos puede ser de milisegundos, microsegundos, nanosegundos, picosegundos o femtosegundos Las frecuencias de los pulsos pueden ir de Hertz a kiloHertz La emisión puede ser de micro Watts, mili Watts, Watts, cientos de Watts o de mayores potencias 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…

36 ¡Gracias por su amable atención…!

37 The Empire Strikes Back, 1980El Rayo de la Muerte Die Another Day, 2002 Goldfinger, 1964 Goldfinger, 1964 The Empire Strikes Back, 1980 Ken Adam was advised on the laser's design by two Harvard scientists who helped design the water reactor in Dr No.[16] The laser beam itself was an optical effect added in post-production. For close-ups where the flame cuts through metal, technician Bert Luxford heated the metal with a blowtorch from underneath the table Bond was strapped to.[ Goldfinger, 1964

38 Algunas técnicas: Chirp Pulse AmplificationSI multiples for watt (W) Submultiples Multiples Value Symbol Name 10−1 W dW deciwatt 101 W daW decawatt 10−2 W cW centiwatt 102 W hW hectowatt 10−3 W mW milliwatt 103 W kW kilowatt 10−6 W µW microwatt 106 W MW megawatt 10−9 W nW nanowatt 109 W GW gigawatt 10−12 W pW picowatt 1012 W TW terawatt 10−15 W fW femtowatt 1015 W PW petawatt 10−18 W aW attowatt 1018 W EW exawatt 10−21 W zW zeptowatt 1021 W ZW zettawatt 10−24 W yW yoctowatt 1024 W YW yottawatt Common multiples are in bold face CPA

39 Algunas técnicas: generación de armónicosCPA