22/05/2008 TEMA 9 EL PRINCIPIO DEL CAMINO DEL LÁSER HACIA LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS Y OTROS CAMPOS DE LA TECNOLOGÍA Incorporación de la Óptica a la Electrónica. Antecedentes. Tecnologías previas. Láser, fibras ópticas y comunicaciones. Otras aplicaciones jamp'07 1 jamp'07 Willebrord van Roijen Snell GUIADO DE LA LUZ jamp'07 2 1580 - 1626 3 jamp'07 4 5 jamp'07 6 PRINCIPIO BÁSICO: Ley de SNELL Situación idónea para el guiado de luz: que ésta pase de un medio con un índice de refracción alto a otro con un índice menor. Aparece, a partir de un cierto ángulo, la posibilidad de reflexión total. jamp'07 1 22/05/2008 Jean Daniel COLLADON (15/12/1802, Ginebra – 30/06/1893) John Tyndall (1820-1893) (1820- Grabado de D. Colladon, de 1841, mostrando el guiado de luz en un chorro de agua, mediante una lámpara de arco. jamp'07 7 jamp'07 Esquema de un sistema de guiado de luz publicado en La Nature y presentado en la Exposición Universal de 1889. Mediante un espejo, se hace incidir la luz de una lámpara de arco, propagándose por el interior de un chorro hueco de agua. Constituye el primer sistema de propagación de luz en una guía con "núcleo" y "cubierta". Experiencias de John Tyndall en The Royal Institution de Gran Bretaña, el 19 de mayo de 1854. jamp'07 9 jamp'07 EL FOTÓFONO jamp'07 8 10 “Transmitting Articulate Speech over a Beam of Light”. Prof. A.G. Bell’s Patent No. 235199. Dec. 7, 1880 11 jamp'07 12 2 22/05/2008 Photophone invented by Alexander Graham Bell and Sumner Tainter, 1880 In 1880 Bell established the Volta Laboratory in Washington, D.C., to undertake inventions beyond the telephone. That year he and his associate Sumner Tainter deposited at the Smithsonian two sealed tin boxes containing models and documentation of a device they called a photophone, which transmitted sound over a beam of light, and other apparatus. The inventors hoped that the sealed boxes would prove their priority in invention; they did not want to file a patent for fear of giving away secrets that would help competitors. When the boxes were finally opened in 1937, long after Bell's death, the inventions inside were historical relics, not technological breakthroughs. jamp'07 13 jamp'07 14 jamp'07 15 jamp'07 16 jamp'07 18 The Alexander Graham Bell Family Papers Drawing by Alexander Graham Bell and Charles Sumner Tainter, April 1880 (Series: Subject File, Folder: The Photophone, Miscellany Part 3, 1879-1880) jamp'07 17 3 22/05/2008 NOTICIA APARECIDA EN "DER NATUUR", 1881, pág. 1, INFORMANDO DEL INVENTO DEL FOTÓFONO. jamp'07 19 jamp'07 20 FOTÓFONO DE BELL Y TAINTER (1881) jamp'07 21 (Der Natuur. jamp'07 1881, p.1) Transmisor 22 Photophone Transmitter - Bell & Tainter patent 235,496 granted 1880/12/14 from Tainter Papers, NMAH Receptor jamp'07 23 jamp'07 24 4 22/05/2008 Selenium Cells - Bell & Tainter patent 235,497 granted 1880/12/14 from Tainter Papers, NMAH jamp'07 Selenium Cells - Tainter patent 235,590 granted 1880/12/14 from Tainter Papers, NMAH 25 Letter from Alexander Graham Bell to Alexander Melville Bell, February 26, 1880 jamp'07 jamp'07 Letter from Alexander Graham Bell to Marian Bell Fairchild, February 15, 1901 27 jamp'07 OTRAS PROPUESTAS jamp'07 26 28 Patente de William Wheeler para la iluminación de recintos, recintos mediante tuberías de vidrio recubierto con una película metálica. No empleaba reflexión total sino solo reflexión sobre una superficie metalizada. 29 jamp'07 30 5 22/05/2008 (a) La luz de la fuente S se modula al pasar por una "válvula de luz", es enfocada por una lente y pasa a través de un conducto, C, que puede ser o una varilla de cuarzo o un tubo en el que se ha hecho el vacío. En el receptor, incide sobre una célula f t lé t i fotoeléctrica, P P, y lla corriente eléctrica resultante es amplificada para su reconocimiento. (b) y (c) Posible empleo de prismas para transmitir y recibir varios mensajes telefónicos por un mismo camino óptico. (a) (b) (c) jamp'07 SISTEMA DE TELEFONÍA ÓPTICA DE NORMAN R. FRENCH, PATENTADO EN 1934. 31 PRIMEROS PASOS DEL LÁSER jamp'07 32 EL CUERPO NEGRO Equipo utilizado por Coblentz, en la década de los 20, para medir la radiación del cuerpo negro. jamp'07 33 jamp'07 34 Hechos empíricos conocidos, a finales del siglo XIX, del comportamiento del cuerpo negro: L del Ley d l desplazamiento d l i t de d Wien Wi Ley de Stefan-Boltzmann jamp'07 Variación de la densidad de energía por unidad de longitud de onda, en función de la longitud de onda, emitida por un cuerpo negro. 35 jamp'07 36 6 22/05/2008 - Teorías asentadas a principios del siglo XX: En 1900, Max Planck (1858-1947), introduciendo el concepto de “cuantos” de energía, fue capaz de justificar, teóricamente, la curva experimental, que da la radiación del cuerpo negro. - Teoría de Maxwell del Electromagnetismo - Teoría de la Termodinámica de Boltzmann. A partir de ellas se llega a la Fórmula de Rayleigh-Jeans: Errónea!: Conduce a la “catástrofe catástrofe en el ultravioleta” ultravioleta jamp'07 37 jamp'07 1917: Publicación por A. Einstein (1879-1955), del artículo: LA EMISIÓN ESTIMULADA “Zur Quantentheorie der Strahlung”, Ph ik li h Z Physikalische Zeitschrift, it h ift 18, 18 121-128, 1917. Planck y Einstein en 1929 jamp'07 39 Situación inicial Proceso Introdujo en él el concepto de “emisión estimulada” y los coeficientes A y B que llevan su nombre. jamp'07 40 jamp'07 42 Situación final Coeficiente Absorción B12 Emisión espontánea A21 Emisión estimulada B21 jamp'07 38 41 7 22/05/2008 Einstein de forma teórica, planteó, con estos procesos los fenómenos que tenían lugar en el interior del cuerpo negro y justificaban la expresión de la radiación que emitía. Se vio así la posibilidad de “amplificar” una radiación incidente mediante el concepto de la emisión estimulada. Demostró también,, q que los tres coeficientes,, A21, B21 y B12, estaban relacionados entre sí. EL MÁSER El camino para el láser estaba abierto. Pero faltaban todavía bastantes años para que la tecnología accediese al nivel necesario para que se pudiera llevar a cabo. jamp'07 43 jamp'07 44 SITUACIÓN TECNOLÓGICA A FINALES DE LOS AÑOS CUARENTA La invención del RADAR, durante la Segunda Guerra Mundial, había impulsado considerablemente todas las tecnologías relacionadas con la generación y el uso de las microondas. Uno de los temas que se derivaron de ello fue el del estudio de la interacción radiación radiación-materia, materia, especialmente con gases, para esas longitudes de onda. El resultado fue la espectroscopía de microondas, que se desarrolló primero en laboratorios de la industria, donde había diferentes tipos de radares, y posteriormente en las universidades. Uno de los objetivos era la obtención de ondas de radio con frecuencias superiores a las centimétricas, que eran las empleadas en microondas. jamp'07 45 EL MÁSER EN ESTADOS UNIDOS jamp'07 Charles H. Townes Página del libro de notas de C.H. Townes, en el que se recoje la idea original del máser (11 de mayo de 1951) (1915, South Carolina - ) Recibió el Premio Nobel en 1964 jamp'07 47 46 jamp'07 48 8 22/05/2008 MASER: MASER “M Microwave Amplification by Stimulated ti l t d Emision i i off Radiation” di ti ” Esquema del máser tal y como aparece en el primer artículo: (J.P. Gordon, H.J. Zeiger & C.H. Townes, “Molecular microwave oscillator and new hyperfine structure in the microwave spectrum of NH3”, Phys. Rev, 95, 282, 1954). jamp'07 49 jamp'07 Townes con Gordon, coautor del artículo inicial, y con Wang, que reemplazó a Zeiger en el grupo. Townes con el segundo máser desarrollado con su grupo. jamp'07 50 51 jamp'07 52 EL MÁSER EN LA UNIÓN SOVIÉTICA Townes en una conferencia de la Optical Society of America, en 1981, Washington, D.C. (esquina inferior derecha. Detrás de él, el autor de esta presentación) jamp'07 53 jamp'07 54 9 22/05/2008 Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Александр Михайлович Прохоров) (July 11, 1916 – January 8, 2002) (N.G. Basov y A.M. Prokhorov, “Application of molecular beams to the radio spectroscopic study of the rotation of the rotation spectra of molecules”, Zh. Eksp. Theo. Fiz., 27, 431, 1954) jamp'07 Nikolay Gennadiyevich Basov (Николай Геннадиевич Басов) (December 14, 1922 – July 1, 2001) Recibieron el Premio Nobel en 1964 55 jamp'07 56 Nicolaas Bloembergen (March 11, 1920 - ) OTROS NOMBRES DEL MÁSER Planteó utilizar un sistema de tres niveles, en lugar de dos como había hecho Townes. Recibió el premio Nobel en 1981 En una entrevista en 1985 comentaba porqué no había continuado en el terreno de los láseres. Señalaba que era un tema de demasiada envergadura para ser tratado en una universidad: todos se habían desarrollado en industrias: Hughes, Bell, IBM, General Electric, … jamp'07 57 jamp'07 58 Publicó, conjuntamente con C. Townes, la primera propuesta de un máser en el visible (“Infrared and optical masers”, Phys. Rev., 112, 1940, (1958)) y propuso el empleo de un resonador de Fabry-Perot como sistema de realimentación. Recibió el premio Nobel en 1981 Arthur Leonard Schawlow (May 5, 1921-April 28, 1999) jamp'07 59 10