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  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA12 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    TEMA 3TEMA 3

    FUENTES DE LUZ FUENTES DE LUZ Y EMISIY EMISIN LN LSERSER

    Prof.Dr. E. Gmez GonzlezDepartamento de Fsica Aplicada IIIE.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla

    Curso 2008/09Apuntes de pticaFundamentos de Fundamentos de pticaptica

    UNIVERSIDAD DE SEVILLA12 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser) E.G.G. DFA III-ESI 2008/09

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA22 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Tema 3: Fuentes de luz y emisin lser Consideraciones cunticas Emisin espontnea y absorcin Emisin estimulada y amplificacin Inversin de poblacin Cavidad resonante y modos de funcionamiento Emisin lser Coherencia espacial y temporal Componentes generales y luz emitida Comparacin con fuentes de luz convencionales (filamento, gas, halgena) Tipos de lser Lser de medio slido (rub) Lser de gas (He-Ne) Lser de semiconductor (GaAS) Almacenamiento ptico de informacin Aplicaciones en comunicaciones pticas Otros tipos y aplicaciones. Holografa. Riesgos en el uso de fuentes de luz lser Clasificacin y medidas de seguridad Exposicin Mxima Permisible y Zona de Riesgo Nominal Dispositivos de proteccin ocular

    Propiedad IntelectualEstos Apuntes, as como el material contenido en ellos, estn protegidos por las normas vigentes de Propiedad Intelectual y nicamente pueden destinarse al estudio personal. Para citar la informacin contenida en los mismos debe indicarse:

    Gmez Gonzlez, E.: Fundamentos de ptica: Fuentes de luz y emisin lser, Universidad de Sevilla 2006.as como los datos especficos de cada obra detallados en las Referencias indicadas entre corchetes.

    Estos Fundamentos de ptica han sido especficamente adaptados como Apuntes para el Curso de ptica que imparte el autor en la asignatura Campos Electromagnticos de Ingeniera de Telecomunicacin de la E.S.Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Se recomienda su utilizacin combinada con los dems materiales y referencias de la asignatura.

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA32 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Desde el punto de vista cuntico, los electrones estn alrededor de los ncleos en determinadas rbitas o niveles de energa (definidos por los nmeros cunticos)

    En estos niveles, los electrones estn en un estado estable: ni absorben ni emiten energa

    Cuando un electrn salta de un nivel a otro se produce una radiacin energtica de valor

    donde h es la constante de Planck, es la frecuencia de la radiacin emitida y E es la diferencia de energa entre los niveles

    Estas radiaciones son ondas electromagnticas propagndose con la velocidad de la luzc 3108 m/s

    En el modelo corpuscular, la radiacin emitida est constituida por fotones.

    Consideraciones cunticas

    hE =

    LASER = LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation

    [1]

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA42 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    En condiciones normales, la mayora de los tomos de una poblacin se encuentran en su estadoms bajo de energa, pero el resto estn excitados, con alguno de sus electrones en un nivel superior de energa.

    Los tomos que se encuentran en estado excitado emiten espontneamente fotones, volviendo al nivel energtico inferior. Este proceso es aleatorio y los fotones emitidos no son coherentes, es decir, no guardan ninguna relacin de fase unos con otros,

    denominndose emisin espontnea.

    Cuando sobre un electrn incide radiacin de energa E, tiene lugar un procesode absorcin, promocionndose el electrn a un nivel de energa superior.

    Emisin espontnea y absorcin

    Dispersin de las lneas espectrales~ 10-11 m

    Si sobre un electrn en un estado excitado incide una radiacinde energa el tomo es estimulado a emitir un fotn de la mismafrecuencia y fase. Este es el proceso de emisin estimulada y al sumarse ambasradiaciones (la incidente y la emitida) tiene lugar laamplificacin de la radiacin. La emisin estimulada se puede producir en condiciones normales pero es un efecto muy pequeo porque hay pocostomos en estado excitado.

    Emisin estimulada y amplificacin

    hE =

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA52 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    En un lser es necesario producir (mediante un aporte energtico externo: sistema de bombeo) un estado (del medio activo) en el que el nivel superior de energa estsuperpoblado, con ms electrones que en el nivel inferior. En esas condiciones se dice que se ha conseguido una inversin de poblacin y la probabilidad de que tenga lugar una emisin estimulada es muy alta, y se pueden obtener muchos fotones coherentes.

    Es necesario un medio activo con, al menos, 3 niveles energticos disponibles

    Inversin de poblacin

    densidad de ocupacin de niveles probabilidades de transicin coeficientes de Einstein

    [1]

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA62 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Emisin lser: resumen

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA72 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    La radiacin debe estar confinada (ir y volver) en una cavidad resonante, formada pordos espejos: uno total (r = 100%) y otro parcialmente reflectante (r ~ 95 99.9%)

    Cavidad resonante y modos de funcionamiento

    Modos de funcionamiento: haz continuo (continuous wave, CW) pulsado (pulsed, P)

    gain switched: lmpara de bombeo se enciende/apaga. Pulsos de s / ms Q-switched: ganancia de la cavidad en escala temporal. Pulsos de ns Modelocked: cavidad en trayecto ida-vuelta, Pulsos de ps fs

    Pote

    ncia

    (W)

    Tiempo

    Ener

    ga

    (J)

    Tiempo

    Ondas estacionarias:

    Velocidad en el medio: frecuencias de resonancia: f

    d

    2md =

    ncc

    fc

    n

    n

    =

    = ,...3,2,1

    2=== mm

    dccf nn

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA82 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Coherencia Espacial y Temporal

    Coherencia temporal monocromaticidad: / 10-15 Coherencia espacial

    En el lmite lo, 0 se tiene una onda monocromtica

    Pulso (tren) de ondas de longitud lo, frecuencia o y amplitud constante propagndose en OX tiempo en pasar por un punto (tiempo de coherencia): o longitud de coherencia: lo

    anchura espectraloo

    ol =

    o 1

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA92 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Componentes Generales y Luz Emitida (I)

    Espejo100%reflectante

    Espejoparcialmentereflectante

    ComponentesGenerales: medio activo sistema de bombeo cavidad resonante Luz emitida:

    monocromtica colimada coherente

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA102 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Perfil de intensidaddel haz

    modos TEM interesa gaussiano:

    TEM00

    Componentes Generales y Luz Emitida (II)[1]

    [4][1]

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA112 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Comparacin con fuentes convencionales (I): Lmparas incandescentes

    1. Mltiples longitudes de onda

    2. Multidireccional

    3. Incoherente

    1. Monocromtica

    2. Direccional (colimada)

    3. Coherente

    4. Alta irradiancia: 103 W/m2 1015 W/m2

    5. Verstil: sintonizable, CW / P,

    [8]

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA122 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Comparacin con fuentes convencionales (II)Tubos de gas (fluorescentes)

    [8]

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA132 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Comparacin con fuentes convencionales (III)Lmparas halgenas

    [12]

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA142 Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNTICOS PTICA (TEMA 3 Fuentes de luz y emisin lser)

    Argon fluoride (Excimer-UV)Krypton chloride (Excimer-UV)Krypton fluoride (Excimer-UV)Xenon chloride (Excimer-UV)Xenon fluoride (Excimer-UV)Helium cadmium (UV)Nitrogen (UV)Helium cadmium (violet)Krypton (blue)Argon (blue)Copper vapor (green)Argon (green)Krypton (green)Frequency doubled

    Nd YAG (green)Helium neon (green)Krypton (yellow)Copper vapor (yellow)

    0.1930.2220.2480.3080.3510.3250.3370.4410.4760.4880.5100.5140.5280.532

    0.5430.5680.570

    Helium neon (yellow)Helium neon (orange)Gold vapor (red)Helium neon (red)Krypton (red)Rohodamine 6G dye (tunable)Ruby (CrAlO3) (red)Gallium arsenide (diode-NIR)Nd:YAG (NIR)Helium neon (NIR)Erbium (NIR)Helium neon (NIR)Hydrogen fluoride (NIR)Carbon dioxide (FIR)Carbon dioxide (FIR)

    0.5940.6100.6270.6330.647

    0.570-0.6500.6940.8401.0641.15 1.5043.392.709.6

    10.6

    Key: UV = ultraviolet (0.200-0.400 m) VIS = visible (0.400-0.700 m) NIR = near infrared (0.700-1.400 m)

    WAVELENGTHS OF MOST COMMON LASERS

    Wavelength (m)Laser Type

    Tipos de lser: los ms comunes (sin incluir los de semiconductor)

    Wavelength (m)Laser Type

  • E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD D

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