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TEMA 9TEMA 9

Incorporación de la Óptica a Incorporación de la Óptica a la Electrónica. Antecedentes. la Electrónica. Antecedentes. Tecnologías previas. Láser,Tecnologías previas. Láser,

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Tecnologías previas. Láser, Tecnologías previas. Láser, fibras ópticas y fibras ópticas y

comunicaciones. Otras comunicaciones. Otras aplicacionesaplicaciones

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EL PRINCIPIO DEL CAMINO EL PRINCIPIO DEL CAMINO DEL LÁSER HACIA LAS DEL LÁSER HACIA LAS

COMUNICACIONESCOMUNICACIONES

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COMUNICACIONES COMUNICACIONES ÓPTICAS Y OTROS CAMPOS ÓPTICAS Y OTROS CAMPOS

DE LA TECNOLOGÍADE LA TECNOLOGÍA

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GUIADO DE LA LUZGUIADO DE LA LUZ

33jamp'07jamp'07

Willebrord van Willebrord van Roijen Roijen SnellSnell15801580 -- 16261626

44

1580 1580 16261626

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PRINCIPIO BÁSICO: PRINCIPIO BÁSICO: Ley Ley de SNELLde SNELL

Situación idónea para el guiado de luz: que ésta pase de un medio con un índice de refracción alto

55

un índice de refracción alto a otro con un índice menor. Aparece, a partir de un cierto ángulo, la posibilidad de reflexión total.

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Jean Daniel Jean Daniel COLLADON COLLADON

(15/12/1802, Ginebra –

30/06/1893)

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Grabado de D. Colladon, de 1841, mostrando el guiado de luz en un chorro de agua, mediante una lámpara de arco.

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John Tyndall John Tyndall (1820(1820--1893)1893)

88jamp'07jamp'07

Experiencias de John Tyndall en The Royal Institution de Gran Bretaña, el 19

99

Gran Bretaña, el 19 de mayo de 1854.

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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

1010

propagación de luz en una guía con "núcleo" y "cubierta".

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EL FOTÓFONOEL FOTÓFONO

1111jamp'07jamp'07

“Transmitting Articulate Speech

1212

over a Beam of Light”. Prof. A.G. Bell’s Patent No. 235199. Dec. 7, 1880

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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

1313

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'07jamp'07 1414jamp'07jamp'07

1515jamp'07jamp'07 1616jamp'07jamp'07

1717

The Alexander Graham Bell Family PapersDrawing by Alexander Graham Bell and Charles Sumner Tainter, April 1880

(Series: Subject File, Folder: The Photophone, Miscellany Part 3, 1879-1880)

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NOTICIA APARECIDA EN "DER NATUUR", 1881, pág. 1, INFORMANDO DEL INVENTO DEL

FOTÓFONO.

1919jamp'07jamp'07 2020jamp'07jamp'07

2121jamp'07jamp'07

FOTÓFONO DE BELL Y TAINTER (1881)

2222Transmisor(Der Natuur. 1881, p.1)jamp'07jamp'07

2323

Receptorjamp'07jamp'07

Photophone Transmitter - Bell & Tainter patent 235,496 granted 1880/12/14from Tainter Papers, NMAH

2424jamp'07jamp'07

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5

2525

Selenium Cells - Bell & Tainter patent 235,497 granted 1880/12/14from Tainter Papers, NMAH

jamp'07jamp'07 2626

Selenium Cells - Tainter patent 235,590 granted 1880/12/14from Tainter Papers, NMAH

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2727

Letter from Alexander Graham Bell to Alexander Melville Bell, February 26,

1880

jamp'07jamp'07 2828

Letter from Alexander Graham Bell to Marian Bell Fairchild,

February 15, 1901

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OTRAS PROPUESTASOTRAS PROPUESTAS

2929jamp'07jamp'07

Patente de William Wheeler para la iluminación de recintos mediante

3030

iluminación de recintos, mediante tuberías de vidrio recubierto con una

película metálica. No empleaba reflexión total sino solo reflexión sobre

una superficie metalizada.

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(a)

(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 P l

3131SISTEMA DE TELEFONÍA ÓPTICA DE NORMAN R. FRENCH,

PATENTADO EN 1934.

(b)

(c)

fotoeléctrica, P, y la 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.

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PRIMEROS PASOS DELPRIMEROS PASOS DELLÁSERLÁSER

3232

LÁSERLÁSER

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EL CUERPO NEGROEL CUERPO NEGRO

3333jamp'07jamp'07 3434

Equipo utilizado por Coblentz, en la década de los 20, para medir la radiación del cuerpo negro.

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3535

Variación de la densidad de energía por unidad de longitud de onda, en función de la longitud de onda,

emitida por un cuerpo negro.jamp'07jamp'07

Hechos empíricos conocidos, a finales del Hechos empíricos conocidos, a finales del siglo XIX, del comportamiento del cuerpo siglo XIX, del comportamiento del cuerpo

negro:negro:

L d l d l i t d Wi

3636

Ley de Stefan-Boltzmann

Ley del desplazamiento de Wien

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-- Teorías asentadas a principios del siglo Teorías asentadas a principios del siglo XX:XX:

- Teoría de Maxwell del Electromagnetismo

- Teoría de la Termodinámica de Boltzmann.

3737

A partir de ellas se llega a la

Fórmula de Rayleigh-Jeans:

Errónea!: Conduce a la “catástrofe en el ultravioletacatástrofe en el ultravioleta”

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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.

3838jamp'07jamp'07

LA EMISIÓN ESTIMULADALA EMISIÓN ESTIMULADA

3939jamp'07jamp'07

1917: Publicación porA. Einstein (1879-1955), del artículo:

“Zur Quantentheorie der Strahlung”,

Ph ik li h Z it h ift 18

4040

Physikalische Zeitschrift, 18, 121-128, 1917.

Introdujo en él el conceptode “emisión estimulada” ylos coeficientes A y B quellevan su nombre.Planck y Einstein en 1929

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Proceso

Absorción

Situación inicial Situación final

Coeficiente

B12

4141

Emisión espontánea

Emisión Emisión estimuladaestimulada B21

A21

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Einstein de forma teórica, planteó, con estos procesos losfenómenos que tenían lugar en el interior del cuerpo negroy justificaban la expresión de la radiación que emitía. Se vioasí la posibilidad de “amplificar” una radiación incidentemediante el concepto de la emisión estimulada. Demostrótambién, que los tres coeficientes, A21, B21 y B12, estaban

4343

, q , 21, 21 y 12,relacionados entre sí.

El camino para el láser estaba abierto.

Pero faltaban todavía bastantes años para que latecnología accediese al nivel necesario para que se pudierallevar a cabo.

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ELEL MÁSERMÁSER

4444jamp'07jamp'07

SITUACIÓN TECNOLÓGICA A FINALES DE SITUACIÓN TECNOLÓGICA A FINALES DE LOS AÑOS CUARENTALOS 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-materia,

4545

fue el del estudio de la interacción radiación 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.

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EL MÁSER EN EL MÁSER EN ESTADOS UNIDOSESTADOS UNIDOS

4646

ESTADOS UNIDOSESTADOS UNIDOS

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4747

Charles H. Charles H. TownesTownes(1915, South Carolina (1915, South Carolina -- ))

Recibió el Premio Nobel en 1964Recibió el Premio Nobel en 1964

jamp'07jamp'07 4848

Página del libro de notas deC.H. Townes, en el que serecoje la idea original delmáser (11 de mayo de 1951)

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MASERMASER:

“MMicrowave AAmplification by SSti l t d EE i i f RR di ti ”

4949

SStimulated EEmision of RRadiation”

jamp'07jamp'07 5050

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).

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5151

Townes con el segundo máser desarrollado con su grupo.

jamp'07jamp'07 5252

Townes con Gordon, coautor del artículo inicial, y con Wang, que reemplazó a Zeiger en el grupo.

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5353

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)

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EL MÁSER EN LA EL MÁSER EN LA UNIÓN SOVIÉTICAUNIÓN SOVIÉTICA

5454

UNIÓN SOVIÉTICAUNIÓN SOVIÉTICA

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5555

(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'07jamp'07 5656

Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Александр Михайлович Прохоров) (July 11, 1916 – January 8, 2002)

Nikolay Gennadiyevich Basov (Николай Геннадиевич Басов) (December 14, 1922 –July 1, 2001)

Recibieron el Premio Nobel en 1964Recibieron el Premio Nobel en 1964jamp'07jamp'07

OTROS NOMBRES DEL OTROS NOMBRES DEL MÁSERMÁSER

5757

MÁSERMÁSER

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Nicolaas Bloembergen(March 11, 1920 - )

5858

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, …

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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

5959

Arthur Leonard Schawlow

(May 5, 1921-April 28, 1999)

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