Láser: Principios básicos

Láser: Principios básicos [email protected] CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY OF CENTRAL FLORIDA • Desarrollo históric

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Láser: Principios básicos

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• Desarrollo histórico: Ecuaciones de Einstein • Medio activo • Modelo físico del láser: ganancia • Esquemas de bombeo • Resonador óptico

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Era pre-cuántica Estados estacionarios Niels Bohr 1913

Premio Nobel 1922 CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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Estados discretos de energía y transiciones E4 E3 E2

Max Planck

E1

∆E = hν = hc / λ

E0

h = 6.625 ×10−34 J − s

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Población de estados

Energía

E5 E4 E3

E2 E1

Ni = Población en el estado i = densidad de átomos en el estado i. (i=0,1,2,3,4….)

N4 N3 N2

Equilibrio térmico: Boltzman

N1 hν

 E1 − E 0  N 1 = N 0 exp  −  k BT  

No

Eo

Población CREOL | The College of Optics & Photonics U N I VTech E R 2009 SITY OF CE NTRA L FBasics L O RJuly I D2009 A © Georgia MILPAS Laser

5

Radiación térmica (Planck) u = Densidad de energía de radiación (J-s/m ) u Ley de radiación de Planck 3

ρ = Densidad de energía de

radiación (J-s/m3) a la frecuencia de transición ν

ρ βν

βν

hν βν = k BT

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1916: Einstein introduce la emisión estimulada Interacción de un átomo con luz térmica (espectro de banda ancha) Probabilidades de transición: 1

B01ρ

A

B10 ρ 0

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Relaciones de Einstein:  La emisión espontánea es independiente

de la radiación incidente  Tasas de transiciones estimuladas son proporcionales a la densidad de energía de la radiación incidente.  Las probabilidades de absorción y de emisión estimulada deben ser iguales

B01 = B10 = B

ρ

No las tasas de transición!

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Coeficientes de Einstein A = Probabilidad de emisión espontánea B = Probabilidad de absorción y de emisión estimulada. Tasas de transición:

= N1 A Absorción (estimulada) = N0 Bρ Emisión espontánea Emisión estimulada

= N1Bρ

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Ecuaciones de tasa de población 1

Bρ N0

[ A + Bρ ]N1 0

Nɺ1 = − AN1 − Bρ ( N1 − N0 ), Nɺ = + AN + Bρ ( N − N ). 0

1

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1

0

Estado estacionario Nɺ 1 = Nɺ 0 = 0 Atomos en equilibrio con el campo de radiación térmica a temperatura T



1

N1

0

N0

Distribución de Boltzmann CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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N 1 = N 0 exp ( − β ν

)

En equilibrio: Nɺ 1 = Nɺ 0 = 0, → [ A + B ρ ]N1 = B ρ N 0 ρ A 1 ρ= Ley de B exp( βν ) − 1 radiación de A 8π hν 3 = B c3

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Planck!

βν

Procesos básicos de radiación 1

1

A

0 Absorción

0 Emisión espontánea En el vacío y sin causa aparente!

A=?



0 Emisión estimulada Máser 1954 Láser 1960

Dirac 1927 CQED 1980’s

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1

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Charles H. Townes. Nikolai G. Basov Alexander M. Prokhorov Premio Nobel 1964

1960’s: Se inicia era del Láser

Rubí, Maiman, Hughes Res Labs (Mayo)

600

700 (nm) Samario in CaF2 Sorokin & Stevenson, IBM

He-Ne, (1.15µm) Javan, Bennett & Herriott, Bell Labs

0.9

1

2

3

Uranio in CaF2 5

4

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6

7

8

9

10 11 IR (µm)

1961-1962

He-Ne (632.8nm) White & Rigden

Optica no lineal SHG de Rubí 400 Franken Nd-Glass Snitzer 0.7 0.8 0.9

1

600 (nm)

500

Q-switching

2

3

4

5

GaAs – Diodo láser, GE,IBM, Lincoln Labs CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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6

7

8 9 IR (µm)

Mediados de los 60 Ar: ion

Excimeros 200

300

400

(nm)

600

500

Colorantes Nd:YAG 0.9

1

2

CO2 3

4

5

6

7

8

9

10 11 IR (µm)

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Elementos básicos del láser Sistema de bombeo Medio activo Espejo Parcialmente reflectante

Espejo Altamente reflectante

Resonador CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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Medio activo Ganancia de un láser CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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El medio activo Origen de la transición láser Transiciones entre niveles de energía discretos en:  Atomos (en gases, líquidos, fibras o en matrices

sólidas): Electrónicas (UV y visible)  Moléculas (en gases y líquidos): Electrónicas (UV y visible), vibracionales (IR) y rotacionales (FIR)

Transiciones entre bandas de energía en sólidos:  Semiconductores (Diodo laser) (IR y visible)

Procesos no-lineales Emisión estimulada de electrones libres CREOL | The College of Optics & Photonics U N I VTech E R 2009 SITY OF CE NTRA L FBasics L O RJuly I D2009 A © Georgia MILPAS Laser

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Modelo físico Sistema de dos niveles + campo monocromático CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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Sistema de dos niveles Interacción con radiación monocromática g(ν): forma de la línea

∆ν

ν ρ u(ν) ν ν+dν

∆ν

u (ν ) = ρ (ν )dν CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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Ecuaciones de tasas de población (Ignorando la emisión espontánea )

Nɺ1 = −Bu(ν ) g (ν )( N1 − N0 ) Nɺ = Bu(ν ) g (ν )( N − N ) 0

1

0

El cambio en la inversión de población N1-N0 está asociado a un cambio en la densidad de radiación

du = −( Nɺ1 − Nɺ 0 ) × hν = −2 Nɺ1 × hν dt CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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Ecuaciones de tasas de población Z = u / hν

= densidad de fotones

dZ = 2hν Bg (ν )( N1 − N0 )Z dt

c dt = dz n

Cuando la luz atraviesa un medio

z

Z = Z (0)exp(α (ν ) z) 2hν α (ν ) = Bg (ν )( N1 − N0 ) c/n

z+dz

0

L

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Absorción o ganancia? 2hν α (ν ) = Bg (ν )( N1 − N0 ) c/n α (ν ) < 0 si N0 > N1

Absorción

α (ν ) > 0 si N0 < N1

Ganancia!!

CREOL||The TheCollege Collegeof ofOptics Optics&&Photonics Photonics CREOL ERRS2009 SI ITTYY OOFF CCEE UUNNI IVVE NNTTRRAA LL FFBasics LLOORRJuly I IDD2009 AA © Georgia Tech MILPAS Laser

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Poblaciones en equilibrio térmico Distribución de Boltzmann

 hν  N1 = N 0 exp  −   k BT 

Alta T

Baja T

hν > k BT ⇒ N1 > k BT

⇒ N1 1.

G = R1R2 exp [ 2(α (ν ) − β ) L] > 1

αu (ν )

• En el estado estacionario la ganancia debe equilibrar las pérdidas, incluyendo las de emisión láser.

G =1

1  1  α0 (ν ) = β + ln   = αu (ν ) 2L  R1R2 

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Como funciona un láser?

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Dimensiones y factor de ganancia Diámetro λ Láser L(m) (ancho) HeNe 633 nm 0.5 2mm CO2 2cm 10.6 µm 0.5 Nd:YAG 1.06 µm 0.5 2cm TiS 830 nm 0.5 2cm Fibra 1mm 1.5 µm 10 SC 810 nm 10-3 (1µm) QCL 10-3 (10µm) 5 µm CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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V (m3)

G1

5 x 10-5 5 x 10-3 5 x 10-3 5 x 10-3 10-9 10-13 10-13

1.02 3 50 50 100 12 10

El láser: un instrumento excepcional  Levitación  Láseres focalizados a intensidades de Peta Watt para iniciar reacciones nucleares.  Láseres industriales de varios kW de potencia en haces con el diámetro de un dedo. CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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Manipulación de células biológicas con pinzas láser

Aplicaciones de los láseres Médicas

Industria Militares

LASER

Iluminación

1960 2012 Medio ambiente

Telecom.

(LIDAR y sensores)

Investigación básica

Fusión nuclear

Metrología

Un instrumento en busca de aplicaciones CREOL | The College of Optics & Photonics UNIVERSITY

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Corte

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Grabado

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Grabado tridimensional

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Múltiples aplicaciones

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