Láseres, la luz que revolucionó nuestras vidas

Mayo, 2012
Láseres,
la luz que revolucionó nuestras vidas
A. Requena
Dto Quimica Fisica
Facultad de Quimica
Universidad de Murcia
Dispositivo y herramienta
Dispositivo
Herramienta
El ordenador como herramienta
máquina de Turing
Gödel e incimpletitud : computabilidad
algoritmo
pasos simples: máquina de Turing
UN ORDENADOR EMULA A CUALQUIER
OTRA MAQUINA
Láseres, la luz que revolucionó nuestras vidas A. Requena Mayo, 2012
LASER
Láser es un acrónimo de Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation.
En castellano: amplificación de luz por emisión
estimulada de radiación.
EMISIÓN ESTIMULADA: 1916, EINSTEIN
DISPOSITIVO: 1960, MAIMAN rubí
Un dispositivo en busca de un problema
TRIUNFO DE LAS IDEAS
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APLICACIONES LASER
MEDICINA
ATAQUE A LA LESIÓN SIN DAÑOS A TEJIDOS CERCANOS: CORTAR
Y CAUTERIZAR TEJIDOS. REPARAR LESIONES Y CAUTERIZAR
VASOS SANGUÍNEOS
ESTERILIZACIÒN POR NO EMPLEAR MATERIAL QUIRÚRGICO.
PERFORAR CRÁNEO
DERMATOLOGÍA: DEFECTOS DE LA PIEL CON ANESTESIA LOCAL
OFTALMOLOGÍA:
EXCÍMERO: ELIMINAN CAPAS SUBMICROMÉTRICAS DE LA CORNEA, MODIFICAN CURVATURA
OJO TRANSPARENTE A LUZ ENTRE 0.38 Y 1.4 MICRAS. A MENOR ABSORBE EL CRISTALINO
Y LA CÓRNEA, Y A MAYOR ABSORBE EL AGUA
DESPRENDIMIENTO DE RETINA ; SOLDAR RETINA
TERAPIA FOTODINAMICA (MÁS ADELANTE)
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APLICACIONES LASER
COMPUTACIÓN
LECTURA DE CÓDIGO DE BARRAS
ALMACENAMIENTO ÓPTICO
LECTURA/GRABACIÓN DIGITAL: CD (LÁSER ROJO) Y DVD (AZUL)
FOTOCOPIADORAS O IMPRESORAS LÁSER
COMUNICACIONES MEDIANTE FIBRA ÓPTICA: POR SU
ALTA FRECUENCIA PUEDE TRANSPORTAR 1000
VECES MÁS CANALES DE TELEVISIÒN QUE 
COMPUTACIÓN CUÁNTICA U ÓPTICA
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APLICACIONES LASER
COMUNICACIÓN
Un rayo láser puede viajar grandes distancias con una pequeña reducción de la intensidad
de la señal y debido a su alta frecuencia puede transportar 1.000 veces más información
que las microondas, por lo que son idóneos para ser utilizados como medio
de comunicación en el espacio.
MEDICIÓN DE DISTANCIAS
La medición de distancias con alta velocidad y precisión es otra de las aplicaciones d
el láser a la rama militar inmediatamente después de que se inventara el láser, para
el lanzamiento de artillería o para el cálculo de la distancia entre la Luna
y la Tierra (384.403 Km.), con una exactitud de tan sólo 1 milímetro.
También es utilizado en el seguimiento de un blanco en movimiento al
viajar el haz a la velocidad de la luz.
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APLICACIONES LASER
HOLOGRAFÍA
Un holograma es un objeto bidimensional que codifica toda la
información que describe la imagen tridimensional.
COMO UNA FOTOGRAFIA SE REGISTRA LA INTERFERENCIA.
LAS ZONAS KMÁS EXPUESTAS, TRANSPARENTES
SI SE ILUMNA LA PLACA SE GENERAN LAS ONDAS QUE LA CREARON
LA MONOCROMATICIDAD GARANTIZA UNA BUENA INTERFERENCIA: 3D
ALTA DENSIDAD DE GRABACIÓN DE INFORMACIÓN: SIMPLIFICA EL REGISTRO DE LOS
HOLOGRAMAS Y CON FACILIDAD SE RECONTRUYEN LAS IMÁGENES TRIDIMENTIONALES
EL UNIVERSO HOLOGRÁFICO COMO ALTERNATIVA LO PONE DE ACTUALIDAD
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APLICACIONES LASER
HOLOGRAFÍA
SE REGISTRA LA INTERFERENCIA. LAS ZONAS MÁS
EXPUESTAS, TRANSPARENTES. CADA PUNTO AÑADE SUS ZONAS
CLARAS Y OSCURAS.. SI ESTÁ MÁS LEJOS SE VERÁ MÁS LEJOS
SI SE ILUMNA LA PLACA SE GENERAN LAS ONDAS QUE LA
CREARON
LA MONOCROMATICIDAD GARANTIZA UNA BUENA
INTERFERENCIA: 3D
ALTA DENSIDAD DE GRABACIÓN DE INFORMACIÓN: SIMPLIFICA
EL REGISTRO DE LOS HOLOGRAMAS Y CON FACILIDAD SE
RECONTRUYEN LAS IMÁGENES 3D
EL UNIVERSO HOLOGRÁFICO COMO ALTERNATIVA LO PONE DE
ACTUALIDAD
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APLICACIONES LASER
UNIVERSO HOLOGRAFÍCO
EL UNIVERSO: UN INME3NSO HIOLOGRAMA
De los agujeros negros: limites de la información que cabe en un espacio.
Los límites dependen de la materia y la energÍa que encierra. CLAVE:……
SHANON CUANTIFICÓ LOA INFORMACIÓN CONTENIDA EN UN MENSAJE:
FORMULA SIMILAR, CONCEPTUALMENTE EQUIVALENTES.
HAWKING: CUANDO SE FUSIONAN DOS AGUJEROS, NO SE MODIFICA EL
ÁREA, PERO EMITEN LA ENERGÍA DE HAWKING; SE DETERMINÓ LA
PROPORCIÓN ENTRE EL ÁREA Y LA ENTROPÍA: ES LA CUARTA PARTE
DEL ÁREA DEL AGUJERO, MEDIDA EN ÁREAS DE PLANCK (10-66 CM))
Es como si la entropía, en cuanto medida de información, estuviese
escrita sobre el horizonte de sucesos, de suerte que cada bit ( cada 0 ó 1
de la codificación digital) correspondiera a 4 áreas de Planck.
Nuestro Universo tridimensional podría estar codificado en una superficie
q
que lo contiene, como una especie de inmenso holograma.
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INGENIERIAINDUSTRIA
APLICACIONES LASER
Materiales susceptibles
de ser tratados mediante láser
Realizar Soldaduras.
Tratamientos superficiales como:
Endurecimiento o temple.
Aleación superficial.
Recubrimiento superficial.
Fusión superficial.
Corte mediante el láser.
Taladrado y punzonado.
Marcado mediante láser. ROBÓTICA
Metálicos
No Metálicos
Aceros al carbono
Polímeros
Aceros inoxidables
Cerámicos
Aceros de herramientas Madera
Fundiciones
Vidrio
Aleaciones ligeras
Caucho
Aleaciones de cobre
Cuero
Aleaciones de titanio
Corcho
CALENTAR, FUNDIR, VAPORIZAR MATERIALES, TALADRAR DIAMANTES, MODELAR
MÁQUINAS HERRAMIENTA, RECORTAR COMPONENTES MICROELECTRÓNICOS,
GRABAR CHIPS SEMICONDUCTORES, CORTAR PATRONES, SINTETIZAR NUEVOS
MATERIALES, FOTOGRAFIAS DE ALTA VELOCIDAD, CON EXPOSICIÓN DE
BILLONÉSIMAS DE SEGUNDO, INDUCIR LA FUSIÓN NUCLEAR CONTROLADA
ALIN
ALINEAMIENTO EN CONSTRUCCIÓN E INGENIERIA CIVIL.
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APLICACIONES LASER
Aplicación
Fuente
Técnica
Características obtenibles
Aleación
5 kW
CO2
Profundidad máxima: 0,5mm.
Buenas características en capa.
Dilución típica 20%
Corte
0,4, 0,8 y 1,2 kW
Nd-Yag
CO2
Espesor: de 0,5 a 0,8 mm.
Tolerancia +/-0,05 mm a +/-0,1 mm
Marcado
0,4 KW
Nd-Yag
Capacidad:
325
mm2/min.
Profundidad máxima: 0,04 mm
Recubrimiento
5kW
CO2
Alta densidad de capas y mínima
dilución en sustrato. Espesores de
capas hasta 2 mm.
Refusión
5kW
CO2
Penetración máxima: 0,5 mm. Baja
deformación. Alto rango de dureza
Soldadura
Todas
Nd-Yag
CO2
Penetración máxima: 10 mm. Baja
deformación
Taladrado
0,4 KW
Nd-Yag
Diámetros desde 0,075
Penetración máxima: 13 mm
Temple
5kW
CO2
Penetración máxima: 2 mm. Baja
deformación. Alto rango de dureza.
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mm.
APLICACIONES LASER
MECANIZADO
SOLDADURA EN ESQUINAS Y BORDES
SOLDADURA EN INTERIORES
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
EQUIVALENCIA ENTRE MASA Y ENERGÍA: E = m c2 (Einstein 1905)
Un reacción con diferencia de masa , libera energía
FISIÓN NUCLEAR: ELEMENTO PESADO SE TRANSFORMA EN LIGERO
BOMBA DE HIDRÓGENO (OCTUBRE 1952): FUSIÓN NUCLEAR,
NÚCLEOS LIGEROS SE TRANSOFRMAN EN UNO PESADO (SOL Y
ESTRELLAS)
Los núcleos son partículas cargadas positivamente, hay una
fuerza electrostática repulsiva entre ellos. Está claro que los
mejores materiales para la fusión nuclear son aquellos que sólo
tienen una carga positiva en el núcleo, lo cuál sugiere que éstos son
los isótopos de Hidrógeno.
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
Deuterio - Isótopo de Hidrógeno que contiene un protón y un neutrón en el núcleo.
Por cada 6,500 átomos de Hidrógeno hay un átomo de Deuterio (0.015%).
Se estima que la cantidad total de Deuterio en la Tierra es de 10 16 Kg, lo cuál puede abastecer
de energía a toda la población durante miles de millones de años.
El material más común en la naturaleza que contiene hidrógeno es el agua (H2 O).
La distribución del agua en la Tierra hace que el Deuterio esté disponible en cualquier sitio.
Comparando con la enorme cantidad de energía que se libera de cada reacción de fusión, es
relatívamente barato extraer Deuterio del agua.
No hay problemas ecológicos con la producción de Deuterio comparado con la de petróleo o
carbón.
Tritio - Isótopo de Hidrógeno que contiene un protón y dos neutrones en el núcleo.
No se encuentra en la naturaleza.
Material radiactivo con tiempo de vida de 12.3 años.
Se produce mediante reacciones nucleares como con el bombardeo de Litio con neutrones :
6Li + n ==> T + 4He + 4.8 MeV
7Li + n ==> T + 4He + 2.5 MeV
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
Condiciones Óptimas de operación de un Reactor de fusión Nuclear Controlada :
Disponer de materias primas que puedan ser extraídas fácilmente.
Alta probabilidad de que ocurra la reacción.
Gran cantidad de energía liberada por reacción.
Seguridad del proceso de producción.
Ausencia de problemas ecológicos con los productos del proceso.
Ya que el reactor de fusión nuclear controlada puede solucionar los problemas energéticos de la
humanidad, es obvio por qué se haya invertido una enorme cantidad de dinero en la
investigación para conseguir este objetivo.
La energía de este proceso es relativamente limpia, y la materia prima está disponible en
cualquier sitio.
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FUSIÓN CONTROLADA
El Gran Reto de la Creación de un Reactor de Fusión Nuclear Controlada
Ya que los núcleos en la reacción de fusión están cargados positívamente, hay repulsión
electrostática entre ellos (de acuerdo con la Ley de Coulomb).
Para producir una reacción de fusión, los dos núcleos han de estar muy próximos entre ellos.
La manera más simple de vencer la repulsión electrostática entre los núcleos, es proporcionarles
una alta energía cinética (velocidad), de modo que pueda producirse una colisión entre ellos.
En el laboratorio han sido probadas muchas reacciones de fusión con propósitos de
investigación, utilizando grandes aceleradores de partículas.
Los problemas derivados del uso de grandes aceleradores de partículas son :
La gran cantidad de energía que necesita el acelerador.
El rendimiento muy bajo del proceso.
Para producir energía útil, el proceso de producción ha de tener ganancia
Es imposible ganar energía utilizando aceleradores de partículas.
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
Fusión Termonuclear
La forma que hace posible que las partículas se muevan con alta energía cinética es
aumentando la temperatura.
Conociendo la carga de las partículas, puede calcularse la cantidad de energía que se necesita
para vencer la repulsión electrostática entre ellas.
Calculando la cantidad de energía necesaria para comunicar esta energía a las partículas, se
obtiene que una reacción de fusión termonuclear puede ocurrir alrededor de 100
milones de grados Celsius.
Esta temperatura tan elevada existe dentro del sol (y otras estrellas), y éste es el proceso que
produce la energía que recibimos del sol.
A tan altas temperaturas, los átomos se separan en núcleos cargados positivamente y en
electrones libres . Esta nube de partículas cargadas es llamada Plasma.
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
Plasma
El Plasma es un estado de la materia en el cuál los núcleos están separados de sus electrones,
y forman una nube de partículas ionizadas en un lugar específico.
Para el exterior la nube es eléctricamente neutra, ya que el número de cargas positivas es el
mismo que el de cargas negativas.
Una propiedad especial del plasma es la pérdida de energía como radiación
electromagnética , debido a que los electrones son decelerados por los campos eléctricos de
las cargas de los núcleos.
Esta radiación es llamada " Bremsstrahlung", y es emitida al exterior por el plasma.
A temperaturas de hasta cientos de miles de grados, la velocidad con la que el plasma pierde
energía por radiación, es mayor que la velocidad de fusión termonuclear. Cuando la temperatura
aumenta bastante más, la velocidad de las reacciones de fusión aumenta más rápidamente que
la de pérdida de energía por radiación.
La temperatura a la cuál la producción de energía es igual a la pérdida se denomina "
temperatura de Ignición" del plasma (se asume que el plasma es ideal, en el cuál el único
mecanismo de pérdida de energía es la radiación Bremsstrahlung.
La temperatura de Ignición es la mínima temperatura a la cuál el plasma puede suministrar
él mismo la energía para mantener esta temperatura.
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APLICACIONES LASER
Parámetros de Confinamiento del plasma
FUSIÓN CONTROLADA
Si se quiere producir energía del plasma, la velocidad a la cuál la energía es liberada ha de ser
mayor que la velocidad de suministro de enegía (la diferencia entre ellas es la energía
producida).
Los cálculos teóricos sobre el plasma de Deuterio y Tritio, muestran que a cierta densidad, los
materiales han de ser confinados un periodo de tiempo específico, de modo que el producto de
su densidad y el tiempo sea mayor que 1014 [seg/cm3].
Este criterio es llamado criterio de Lawson o criterio de confinamiento del plasma, y
depende mucho de la temperatura.
El principal problema para conseguir controlar la reacción de fusión nuclear es encontrar un
método de confinamiento del plasma, ya que ningún recipiente puede aguantar temperaturas
tan enormes.
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APLICACIONES LASER
Confinamiento Inercial de Plasmas Utilizando Láseres
FUSIÓN CONTROLADA
El criterio de Lawson , que determina las condiciones para la fusión nuclear es el producto
de la densidad y el tiempo. Si se aumenta la densidad de la materia, se reduce el tiempo
requerido para obtener el plasma en una región específica del espacio.
La idea de la fusión por confinamiento inercial, es comprimir una pequeña cantidad de Deuterio
y Tritio hasta conseguir una densidad muy alta en un tiempo muy corto.
Los cálculos muestran que una pequeña bola, que contenga Deuterio y Tritio a presión
atmosférica, debería ser de alrededor de 1 [mm] de diámetro.
A presión atmosférica, el tiempo de confinamiento del plasma es de 10-8 [seg]. Si
puede mantenerse el plasma este tiempo, puede obtenerse más energía de las reacciones de
fusión, de la que se ha suministrado. El problema es que a presión atmosférica el plasma se
expande rápidamente, de modo que la densidad se reduce y el proceso es imposible de llevar a
cabo. En el otro extremo, a una presión 10,000 veces la atmosférica, el tiempo
requerido para la fusión es del orden de 10-12 [seg], según el criterio de Lawson.
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APLICACIONES LASER
res Requerimientos Básicos para la Fusión Nuclear :
FUSIÓN CONTROLADA
Alta temperatura del plasma - de modo que los núcleos de Deuterio y de Tritio
engan la energía cinética suficiente para vencer la repulsión
lectrostática entre ellos.
energía media por partícula a la temperatura T es : E = 3kT/2
n el laboratorio, la máxima energía que se ha conseguido es de 33 [KeV],
ue es equivalente a una temperatura de 2*108 [0K].
n comparación, la energía del centro del Sol es del orden de 107 - 108 [0K].
Alta densidad de partículas (n).La densidad es el número de partículas
or unidad de volumen. Cuanto más denso es el material, éste contiene más
artículas por unidad de volumen.
Largo tiempo de confinamiento (t).
s condiciones 2 y 3 para n y para t hacen que t tenga que ser suficientemente alto
ara que la probabilidad de colisión entre los nucleos de Deuterio y de Tritio sea elevada.
ste es el criterio de Lawson :
n*t>1014 [s/cm3]
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
Temperaturas Umbrales para la Fusión Nuclear Controlada :
Temperatura Umbral [KeV]
D
D
D
D
+
+
+
+
T ==> 4 He + n + 17.6 [MeV]
D ==> 3 He + n + 3.2 [MeV]
D ==> T + p + 4 [MeV]
3He ==> 4He + p + 18.3 [MeV]
4
50
50
100
De esta tabla está claro que :
La primera reacción es la preferida en esta etapa
(debido a la relativa baja temperatura requerida).
En el futuro, será la segunda reacción la preferida,
debido a que no contiene Tritio radiactivo.
La cuarta reacción tiene ventajas debido a que los productos
son partículas cargadas (protones y partículas Alfa).
Es relativamente fácil extraer energía de partículas cargadas.
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
D + T ==> 4He + n + 17.6 [MeV]
nergía sobre el blanco - suministrada por muchos haces láser simultáneamente.
ompresión de la bola de fusión - la capa externa se calienta y es expulsada.
l combustible nuclear es comprimido hacia el centro por la onda de choque generada
La presión aumenta hasta millones de atmósferas.
Ignición" del Combustible - Como resultado de la compresión, la temperatura aumenta
n el centro , y se produce la fusión nuclear a 50-100 millones de grados.
Mini Explosión" - El proceso de fusión produce una enorme cantidad de energía
la cuál se libera en todas direcciones en una escala de tiempo de microsegundos
(bomba de Hidrógeno en miniatura...)
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APLICACIONES LASER
FUSIÓN CONTROLADA
friamiento de átomos con láser
dos los átomos en la naturaleza se están moviendo porque la temperatura es mayor de 0 [0K]
or los que éstos tienen energía térmica.
bajas temperaturas, es posible casi parar el movimiento de los átomos utilizando
momento de los fotones de la radiación láser.
plicación :
ede hacerse que un haz de luz láser moviéndose en dirección opuesta
un haz de átomos, interaccionen de manera que los átomos absorban
energía de los fotones del haz láser. El proceso ocurre cuando la energía de los fotones
cuál está determinada por la frecuencia del fotón) es exactamente igual a la diferencia
tre los niveles de energía de los átomos.
ando el átomo está en movimiento, entonces por el efecto Doppler, este átomo "vee“
a frecuencia ligeramente diferente a la de los fotones incidentes. Utilizando unos cuantos
ces en direcciones opuestas, es posible parar el movimiento de los átomos.
frecuencia del haz láser se elige de manera que sea muy próxima a la frecuencia de
sorción del átomo, pero no idéntica a ésta. Cada vez que el átomo comienza a moverse
cia a uno de los haces láser, el efecto Doppler provoca que la radiación del haz sea
absorbida por el átomo, y éste retorne a su sitio.
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APLICACIONES LASER
LÁSER QUE PASA POR EL OJO DE UNA AGUJA
FUSIÓN CONTROLADA
ependiendo de la longitud de onda, la potencia necesaria y del pulso
mpleado, un láser puede ser utilizado para un propósito u otro.
or ejemplo, es posible utilizar los láseres de CO2 para cortar acero
eso es factible porque emiten en la parte infrarroja y microondas
el espectro. Como la radiación infrarroja es caliente, un haz de este
ipo lo que hace, básicamente, es fundir el metal. En el polo opuesto,
hallan los láseres de diodos, que se pueden encontrar en los
nteros o en las impresoras de la oficina, y que pueden
er muy pequeños, tanto como el tamaño del ojo de una aguja.
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APLICACIONES LASER
OPULSIÓN AÉREA
FUSIÓN CONTROLADA
s aún, el láser podría suponer la revolución definitiva en los sistemas
e propulsión aérea. En 2003 la NASA consiguió hacer volar
definidamente un pequeño avión de 300 gramos cuya energía
ra proporcionada desde tierra mediante láser. Científicos japoneses
ieron lo propio con un avión de papel, si bien utilizaron el láser
ara evaporar agua que servía de propelente. Estos aviones ligeros
odrían ser utilizados como alternativa a los satélites artificiales
ara establecer telecomunicaciones en zonas de difícil acceso.
ero de desarrollarse más esta tecnología, podría suponer una tremenda
ducción del lastre de los vuelos convencionales, al eliminar
l combustible, tal y como ya se planea hacer en los viajes espaciales.
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Murcia
Murcia
Average temperature = 17 ºC
Average precipitations = 375 mm
Data from the Spanish Meteorological Agency (AEMET)
Saharan Dust
Data from the Barcelona Supercomputing Center (BSC/DREAM)
Lidar System
Laser
► Nd:YAG
laser with 1 J power at 1064 nm
 10 Hz pulse frequency
► Equipped
with frequency doubling crystals
 Simultaneous emission of three harmonic wavelengths
Wavelength (nm)
1064
532
355
Nominal Power
When the system is configured for single
wavelength emission
1J
500 mJ
300 mJ
376 mJ
68 mJ
255 mJ
Registered Power
When the system is configured for
simultaneous emission of three wavelengths
and optimized for 355 nm
Optical Parametric Oscilator
►
Tuning range:
 FDO: 220 nm – 450 nm
 Signal: 410 nm – 708 nm
 Idler: 710 nm – 2300 nm
►
Power:
 Varies with wavelength
Telescope
► Laser
pulse directed to
atmosphere with dichroic
mirrors
 Fixed or mounted on
motorized platform
► Reception
with 35.5 cm
diameter telescope
 Motorized
Monochromator
► Backscattered
light is filtered with monochromator
 Three diffraction gratings, optimized for different spectral
regions (UV, visible and IR)
Photomultiplier Tube
► Wide
spectral response
photomultiplier
 Optimized for UV and
visible
 Despite low quantum
efficiency at NIR, able to
detect 1064 nm pulses
Versatility
► Any
wavelength can be emitted
► Any wavelength can be detected
 Many techniques can be implemented
 Elastic lidar
 Vibrational Raman for independent extinction
determination
 Rotational Raman for temperature determination
 Differential Absorption Lidar (DIAL)
 Fluorescence
 ···
Signal acquisition
►
Analogic detection
 SRS Boxcar gated integrator
and averager
►
Photon counting
 SRS gated photon counter
System Upgrade
►
Problems in detection system
 Gating detection only registers a portion of signal
 Photomultiplier showing saturation after strong backscatter
►
New detection system: Licel
System
 Reliable and well known in lidar
community
Example of 355 nm profile
8
7
Intensidad (U. Arbitrarias)
6
5
4
3
2
1
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Distancia (m )
Resolution: 150 ns (22.5 m)
Integration time: 10 min.
12000
14000
16000
Example of 532 nm profile
14
12
Intensidad (U. arbitrarias)
10
8
6
4
2
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Distancia (m )
Resolution: 150 ns (22.5 m)
Integration time: 10 min.
12000
14000
16000
Example of 1064 nm profile
7
6
Intensidad (U. arbitrarias)
5
4
3
2
1
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Distancia (m )
Resolution: 150 ns (22.5 m)
Integration time: 10 min.
12000
14000
16000
Example of Raman H2O profile (408 nm)
160
140
Número de fotones
120
100
80
60
40
20
0
0
1000
2000
3000
Distancia (m )
Resolution: 500 ns (75 m)
Integration time: 15 min.
4000
5000
6000
Example of Raman N2 profile (387 nm)
600
500
Número de fotones
400
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
Distancia (m )
Resolution: 500 ns (75 m)
Integration time: 15 min.
5000
6000
Inversion Procedure
Atmospheric model +
Elastic and Raman signals
Independent Extinction +
Backscatter coefficients
HERRAMIENTA LASER
LA HERRAMIENTA LÁSER
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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HERRAMIENTA LASER
LA HERRAMIENTA LÁSER
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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HERRAMIENTA LASER
ENERGÍA Y TIEMPO
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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HERRAMIENTA LASER
LA HERRAMIENTA LÁSER
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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HERRAMIENTA LASER
ENERGÍA Y TIEMPO
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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HERRAMIENTA LASER
ENERGÍA Y TIEMPO
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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HERRAMIENTA LASER
ENERGÍA Y TIEMPO
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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HERRAMIENTA LASER
ENERGÍA Y TIEMPO
MONOCROMATICIDAD
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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Dispositivo y herramienta
ENERGÍA Y TIEMPO
MONOCROMATICIDAD
Dispositivo
Herramienta
El ordenador como herramienta
máquina de Turing
EL LASER COMO HERRAMIENTA
COHERENCIA
LINEALIDAD
BRILLO
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CUANTICA Y MOLÉCULAS
NIVELES DE ENERGÍA
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA
EL LÁSER COMO MECANISMO DE EXCITACIÒN SELECTIVO
LA QUÍMICA DE LOS ESTADOS EXCITADOS
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1872 : Leland Stanford
$25.000.
fotógrafo : Eadweard Muybridge
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Siglos XX y XXI :
nacimiento de las moléculas
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BREVES SUCESOS NATURALES
Cuanto se tarda en leer la letra….. ?
50 ms en reconocer la letra C.
¿Cuánto tardan en difundirse las moléculas
en la sinapsis?.
50 s
¿Cuánto tarda la luz en recorrer la distancia
desde el televisor al ojo ?.
0.13 ns
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Láseres, la luz que revolucionó nuestras
EPISODIOS
MIL MILLONES DE AÑOS



ENFRIAR LA TIERRA: MARES Y OCÉANOS Y CO2
O2 VIDA UNICELULAR.
EDAD DEL UNIVERSO : 12.000 – 14.000 MILLONES
DE AÑOS.
FUTURO PREVISTO : 10100. MUCHO FUTURO

UN MILLÓN DE AÑOS
LAS ESTRELLAS SUPERGIGANTES
AZULES (MIL VECES MÁS BRILLANTES
QUE EL SOL) SE CONSUMIRÁN.
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EPISODIOS
UN SIGLO




LOS CD-ROM SE DEGRADARÁN. LOS MÁS
PERFECTOS ALCANZAN 200 AÑOS.
UNA TORTUGA TIENE UNA ESPERANZA DE VIDA DE
177 AÑOS.
PROBABILIDAD DE SER CENTENARIOS : 1/26.
EDAD DE LA MECÁNICA CUÁNTICA
UN AÑO

LA TIERRA RECORRE UNA ÓRBITA
ALREDEDOR DEL SOL.
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EPISODIOS




UN DIA
LA TIERRA REALIZA UNA ROTACIÓN.
EL CORAZÓN LATE 100.000 VECES.
LOS PULMONES INHALAN Y EXPELEN 14.000 LITROS DE
AIRE.
UNA CRÍA DE BALLENA AZUL GANA 90 KILOS DE PESO.
UNA HORA



SE DICTA UNA CONFERENCIA.
SE RECORREN ENTRE 100-120 KILÓMETROS DE DISTANCIA.
LAS CÉLULAS SE DIVIDEN EN DOS.
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EPISODIOS
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
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
UN MINUTO
EL CEREBRO DE UN NEONATO CRECE ENTRE UNO Y DOS
MILIGRAMOS.
UNA PERSONA PRONUNCIA UNAS 150 PALABRAS.
UNA PERSONA LEE UNAS 250 PALABRAS.
LA LUZ DEL SOL TARDA UNOS 8 MINUTOS EN LLEGAR.
UN SEGUNDO
EL CORAZÓN DA UN LATIDO.
LA LUZ DE LA LUNA TARDA 1,3S. EN LLEGAR A LA TIERRA.
SEGUNDO ES DURACIÓN DE 9.192.631.770CICLOS DE
OSCILACIÓN DEL ATOMO DE CESIO.
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EPISODIOS
DECIMA DE SEGUNDO



UN ABRIR Y CERRAR DE OJOS.
TIEMPO QUE REQUIERE EL OIDO PARA DISCRIMINAR UN
SONIDO DE SU ECO.
UN COLIBRÍ BATE SUS ALAS SIETE VECES.
UN MILISEGUNDO



TIEMPO DE EXPOSICIÓN MÁS BREVE DE UNA CÁMARA
FOTOGRÁFICA.
UNA MOSCA BATE LAS ALAS CADA 3 MS.
UNA ABEJA BATE LAS ALAS CADA 5 MS.
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EPISODIOS
UN MICROSEGUNDO

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

LA LUZ RECORRE 300 METROS.
UN SONIDO HABRÍA RECORRIDO 1/3 MM.
DURACIÓN DE UN DESTELLO DE ESTROBOSCOPIO COMERCIAL.
UN CARTUCHO DE DINAMITA EXPLOTA EN 24 MICROSEGUNDOS.
UN NANOSEGUNDO


LA LUZ RECORRE 30 CM.
UNA INSTRUCCIÓN DE ORDENADOR CONSUME ENTRE 2 Y 4
NANOSEGUNDOS EN EJECUTARLA
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EPISODIOS
UN PICOSEGUNDO (billonésima de segundo)



TIEMPO DE OPERACIÓN DE LOS TRANSISTORES MÁS
RÁPIDOS.
TIEMPO QUE TARDA EL QUARK “FONDO” EN DESINTEGRARSE.
LA VIDA MEDIA DE UN ENLACE DE HIDRÓGENO ENTRE
MOLÉCULAS DE AGUA, ES DE 3 PICOSEGUNDOS.
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EPISODIOS
UN FEMTOSEGUNDO (millonésima de billonésima de segundo)



EN LAS MOLÉCULAS, LOS ÁTOMOS TARDAN ENTRE 10 Y
100 FEMTOSEGUNDOPS EN REALIZAR UNA OSCILACIÓN.
LAS REACCIONES QUÍMICAS MÁS RÁPIDAS REQUIEREN
CENTENARES DE FEMTOSEGUNDOS.
LA INTERACCIÓN ENTRE LA LUZ Y LOS PIGMENTOS DE LA
RETINA INVIERTE EN TORNO A 300 FEMTOSEGUNDOS.
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EPISODIOS

UN ATTOSEGUNDO
FENÓMENOS MÁS FUGACES QUE LA CIENCIA CRONOMETRAR.
LOS LÁSERES MÁS RÁPIDOS TARDAN 250 ATTOSEGUNDOS.
-34




S.
Constante de Planck, h. Valor utilizado 6,6 10-27 g cm 2 /sg.
Masa de Planck. mp. Es el valor de masa obtenido combinando apropiadamente las
constantes G, c y hbarra como (hbarra c / G)1/2. Valor utilizado 2,178 10-5 g.
Longitud de Planck, en adelante lp = (hbarra G / c3)1/2, es la longitud de onda Compton
de la partícula masa de Planck. El valor utilizado es 1,616 10-33 cm.
Tiempo de Planck, en adelante tp = (hbarra G / c5)1/2, es el tiempo que tarda la luz en
recorrer la longitud de Planck. Valor utilizado 5,389 10-44 sg.
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ESCALA DE TIEMPO Y REACCIONES
QUÍMICAS
► 10-9 –
10-15 s.
► Procesos:







Transferencia de protones o electrones.
Movimiento interno en proteínas.
Transferencia de energía inter e intramolecular.
Ruptura y formación de los enlaces químicos.
Rotación molecular.10000nm~ 33 10-15 s.)
Vibración molecular (1000nm~3.3 10-15 s.)
Tránsitos electrónicos (200nm ~0.66 10-15 s.)
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ESCALA DE TIEMPO Y REACCIONES
QUÍMICAS
FOTÓN
PROCESO
VELOCIDAD (m/s)
Tiempo
para
recorrer
3 108
3-5 102
3m
10-8 s (10 ns)
10-2 s (10 ms)
3m
10-14 s (10 fs)
10-8 s (10 ns)
3nm
10-17 s (10 as)
10-11 s (10 ps)
20 fs
Vibración del CO
Tiempo de
tránsito F-C
MOLÉCULA
< 1 fs
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EVOLUCIÓN DE LAS FUENTES
AÑO
FUENTE
ANCHURA
1950
Lámpara de Flash
ms
1960
Láser de Rubí
ns
1970
Láser de Nd:YAG, bombeado por flash
Láser de colorante bombeado por Nd:YAG
1980
1990
Láser de anillo en modo locked y CPM con
compresión de pulso
Láser de Ti:zafiro en modo locked y oscilador
paramétrico óptico
ps
50 fs
5 fs
50-5 fs
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RETROALIMENTACIÓN Y
AMPLIFICACIÓN
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Valoración de 1 fs
► Azoica
► Arcaica. Hasta unos 500.000.000 años.
► Primaria o paleozoica. Invertebrados, trilobites medusas, moluscos, primeros
vegetales, helechos y coníferas y los insectos, primeros que abandonaron el mar, luego los
batracios. Hace unos 350.000.000 años.
► Secundaria
o mesozoica
Desde unos 200.000.000 hasta unos 70.000.000
años. Actividad volcánica, invasión de Europa por los océanos. Reptiles, dinosaurios.
► Terciaria
o cenozoica
Hasta un 1.000.000 años antes de nuestros días, Actividad
orogénica: Andes, Alpes y el Himalaya. Edad de los mamíferos y los actuales árboles .
► Cuaternaria Glaciares, Aparece el hombre conviviendo con mamut y animales feroces.
Última glaciación hace 30.000 años. Hombre de Cromagnon u Homo sapiens.
► En
total 5.000 millones de años
► 1s./32.000.000
años =
1s./(32.000000*365*24*60*60)=1s./(1.009152*1015
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ISAAC NEWTON
Láseres, la luz que revolucionó nuestras vidas A. Requena Mayo, 2012
Lord George Porter
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Láseres, la luz que revolucionó nuestras
ZEWAIL: 1999
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DECAIMIENTO
FOTOLÍTICO DE
ICN
BOMBEO: 307nm
SONDA : 388.5 nm (CN)
El TIEMPO ICN
I + CN
Velocidad de las moléculas : 300 m/s
Se separan completamente a 0.6 nm
tiempo de reacción = 0.6 10-9 300 = 200 fs.
Resumen : se sigue el proceso
mediante espectroscopía de absorción
►
ICN + h(bombeo)
[ICN]#*
I + CN
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