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© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD DE SEVILLA12º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser)

TEMA 3TEMA 3

FUENTES DE LUZ FUENTES DE LUZ Y EMISIY EMISIÓÓN LN LÁÁSERSER

Prof.Dr. E. Gómez GonzálezDepartamento de Física Aplicada IIIE.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla

Curso 2008/09Apuntes de ÓpticaFundamentos de Fundamentos de ÓÓpticaptica

UNIVERSIDAD DE SEVILLA12º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser)© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09


Tema 3: Fuentes de luz y emisión láser• Consideraciones cuánticas• Emisión espontánea y absorción• Emisión estimulada y amplificación• Inversión de población• Cavidad resonante y modos de funcionamiento• Emisión láser• Coherencia espacial y temporal• Componentes generales y luz emitida• Comparación con fuentes de luz convencionales (filamento, gas, halógena)• Tipos de láser• Láser de medio sólido (rubí)• Láser de gas (He-Ne)• Láser de semiconductor (GaAS)• Almacenamiento óptico de información• Aplicaciones en comunicaciones ópticas• Otros tipos y aplicaciones. Holografía.• Riesgos en el uso de fuentes de luz láser• Clasificación y medidas de seguridad• Exposición Máxima Permisible y Zona de Riesgo Nominal• Dispositivos de protección ocular

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

Gómez González, E.: Fundamentos de Óptica: Fuentes de luz y emisión láser, Universidad de Sevilla 2006.así como los datos específicos de cada obra detallados en las Referencias indicadas entre corchetes.

Estos Fundamentos de Óptica han sido específicamente adaptados como Apuntes para el Curso de Óptica que imparte el autor en la asignatura Campos Electromagnéticos de Ingeniería de Telecomunicación de la E.S.Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Se recomienda su utilización combinada con los demás materiales y referencias de la asignatura.


• Desde el punto de vista cuántico, los electrones están alrededor de los núcleos en determinadas órbitas o niveles de energía (definidos por los números cuánticos)

• En estos niveles, los electrones están en un estado estable: ni absorben ni emiten energía

• Cuando un electrón “salta” de un nivel a otro se produce una radiación energética de valor

donde h es la constante de Planck, ν es la frecuencia de la radiación emitida y ΔE es la diferencia de energía entre los niveles

• Estas radiaciones son ondas electromagnéticas propagándose con la velocidad de la luzc ≈ 3·108 m/s

En el modelo corpuscular, la radiación emitida está constituida por fotones.

Consideraciones cuánticas

νhE =Δ

LASER = LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation

[1]


• En condiciones normales, la mayoría de los átomos de una población se encuentran en su estadomás bajo de energía, pero el resto están excitados, con alguno de sus electrones en un nivel superior de energía.

• Los átomos que se encuentran en estado excitado emiten espontáneamente fotones, volviendo al nivel energético inferior. Este proceso es aleatorio y los fotones emitidos no son coherentes, es decir, no guardan ninguna relación de fase unos con otros,

denominándose emisión espontánea.

• Cuando sobre un electrón incide radiación de energía ΔE, tiene lugar un procesode absorción, promocionándose el electrón a un nivel de energía superior.

Emisión espontánea y absorción

Dispersión de las líneas espectrales~ 10-11 m

• Si sobre un electrón en un estado excitado incide una radiaciónde energía el átomo es estimulado a emitir un fotón de la mismafrecuencia y fase. Este es el proceso de emisión estimulada y al sumarse ambasradiaciones (la incidente y la emitida) tiene lugar laamplificación de la radiación. La emisión estimulada se puede producir en condiciones normales pero es un efecto muy pequeño porque hay pocosátomos en estado excitado.

Emisión estimulada y amplificación

νhE =Δ


• En un láser es necesario producir (mediante un aporte energético externo: sistema de bombeo) un estado (del medio activo) en el que el nivel superior de energía esté“superpoblado”, con más electrones que en el nivel inferior. En esas condiciones se dice que se ha conseguido una inversión de población y la probabilidad de que tenga lugar una emisión estimulada es muy alta, y se pueden obtener muchos fotones coherentes.

• Es necesario un medio activo con, al menos, 3 niveles energéticos “disponibles”

Inversión de población

• densidad de ocupación de niveles• probabilidades de transición• coeficientes de Einstein

[1]


Emisión láser: resumen


• La radiación 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: lámpara de bombeo se enciende/apaga. Pulsos de μs / 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

gía

(J)

Tiempo

Ondas estacionarias:

Velocidad en el medio: frecuencias de resonancia: f

d

2λmd =

ncc

fc

n

n

=

= λ,...3,2,1

2=== mm

dccf nn

λ


Coherencia Espacial y Temporal

• Coherencia temporal ↔ monocromaticidad: Δλ/λ ≤ 10-15

• Coherencia espacialEn el límite lo→∞, Δν→0 se tiene una onda monocromática

Pulso (tren) de ondas de longitud lo, frecuencia νo y amplitud constante propagándose en OX• tiempo en pasar por un punto (tiempo de coherencia): τo• longitud de coherencia: lo

anchura espectralo

oo

lντ =

oτν 1≈Δ


Componentes Generales y Luz Emitida (I)

Espejo100%reflectante

Espejoparcialmentereflectante

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

• monocromática• colimada• coherente


Perfil de intensidaddel haz

• modos TEM• interesa gaussiano:

TEM00

Componentes Generales y Luz Emitida (II)[1]

[4][1]


Comparación con fuentes convencionales (I): Lámparas incandescentes

1. Múltiples longitudes de onda

2. Multidireccional

3. Incoherente

1. Monocromática

2. Direccional (colimada)

3. Coherente

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

5. Versátil: sintonizable, CW / P, …

[8]


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

[8]


Comparación con fuentes convencionales (III)Lámparas halógenas

[12]


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 µm) VIS = visible (0.400-0.700 µm) NIR = near infrared (0.700-1.400 µm)

WAVELENGTHS OF MOST COMMON LASERS

Wavelength (μm)Laser Type

Tipos de láser: los más comunes (sin incluir los de semiconductor)

Wavelength (μm)Laser Type


Láser de medio sólido(rubí, T.Mainman, 1960)

Rubí: Al2O3 + Cr λ = 694.3 nm~10-3 bombeo óptico: Xe

Pulsos ~ 5 J ( ~ 1012 W)

Nd:YAG λ ~ 1064 nm (doubled)Nd:YLF λ~ 527 nmTi:Sapphire

Diámetro ~ 0.5 cmLongitud ~ 5 cm

Rojo

Aplicaciones:• I+D (fusión, …)• materiales, …

c

[1]

[1]


Láser de Gas(He-Ne)

• He:Ne = 7:1 (Presión = 1 torr)λ = 632.8 nm, P~mWcolisiones inelásticas / excitación e-lectores códigos barras, …

• Ar+: λ ~ 515 nm, P~10 Waplicaciones médicas

• He-Cd: λ ~ 442 nm, P~10 mWanálisis ambiental (polución, …)

• CO2: λ ~ 10.2 μm, P~ kWcortes, taladros,

e-

[1]


Láser de semiconductor(GaAs)

• λ ± Δλ• densidad de corriente• Pulsado / Continua

modulable hasta 1012 Hzancho de pulso ~ 100 ns

• Energía: 30 mJ per pulse @ 1 kHz

• Potencia media < 50 W @ 3 kHz

• Divergencia angular ~ 20 urad

Otros semiconductores:IR → UVA

• GaAs:λ ~ 690 / 870 nmcomunicaciones / imagen alta velocidad

• GaN (ILD):λ ~405-410 nm, P~30 mWDVD blu-ray disc

• AlGaInP (ILD)λ ~635→670 nm, P~220 mWCD-ROM

• AlGaAs (ILD)λ ~780→830 nm, P~220 mWCD-R/RW

ILD = Injected Laser Diode

(r = 100%)

(r = 99.9%)

LED = Ligth Emitting Diode

[1]


Almacenamiento óptico de información (I)

Reflexiónespecular

Reflexióndifusa

1950 – discos magnéticos1970 – videodiscos: audio A1980 – CD: audio D

- CD-ROM: audio + datos 2000 – DVD

blu-ray disc

Fundamentos

normal arañazo polvo polvo grasa detransparente huella

¡ no tocar !


Almacenamiento óptico de información (II)

Disco WORM (write once, read many)- película (aleación) de Te, Sn y Pb sobre disco

de Al o cristal + capa protectoraablación láser

cambio de reflectividad (R)

Almacenamiento Regrabable por cambio de fase- mismo disco

Te: cambio de fase a T ambiente: policristalino (R↑) → amorfo (R↑)

calentamiento + enfriamiento

CAPACIDAD: CD “convencional” = 5.25”con λ~800 nm → 17 MB/cm2 → 650 MBcon λ~410 nm →387 MB/cm2 → 4.7 GB !!!

blu-ray disc

Tipos


Almacenamiento óptico de información (III)

Señales débiles → profundidadde las marcas elegida tal que sea

d = (1/4) λ → diferenciamarca / “no marca”tiene ∆Φ = λ/2

¡ interferencia destructiva en detector !

d

Ej.: CD con λ = 780 nm. Disco recubierto conuna capa de índice de refracción 1.50.¿cuál debe ser la profundidad de las marcas?

Sol.: 130 nm

Lectura de lasseñales


Almacenamiento óptico de información (IV) Realimentaciónpara alineamiento

El láser debe seguir con precisión las pistas en espiral, separadas ~ 1.25μm → mecanismo de realimentaciónpara saber si se desvía:

→ RED DE DIFRACCIÓN:- lectura: máximo central fuerte- 2 máximos de primer orden enlas superficies planas inter-pistas → cte

Ej.: CD con λ=780 nm y red de difracción situada a 6.90 μm del disco. Si los haces de primer ordendeben incidir a 0.400 μm de la pista

→ la red debe tener 74.2 líneas/mm[7]


Almacenamiento óptico de información (V): disco magneto-óptico

Almacenamiento Regrabable magneto-óptico- película (aleación) de metales/tierras raras: TbFeCo

inicial: dominios orientados → desmagnetización → reorientación (0/1) → dominiosreorientadosCalentamiento (temperatura de Curie, TC)

enfriamiento

Campo débil: B~300 G

Campo alto: B ~ kGestado ferromagnético → estado no ferromagnético

I↑

I↓ I↑

Escritura


Almacenamiento óptico de información (VI): disco magneto-óptico

Lectura:efecto Kerr (magneto-óptico):

conversión de luz polarizadalinealmente en luz polarizadaelípticamente por reflexión en material ferromagnético

Luz polarizada incidente (~2 mW) sobre material ferromagnético (M):el plano de polarización gira

un cierto ángulo θ= θ(M) ~ 0.5o -1o

↔ SNR << → detección diferencial:

+/- θ → IA/ IB

Lectura

Ej.: La superficie del disco se mueve con velocidad ~ 1 m/s respecto al haz láser y cada marca es un cilidro de L ~ 1 μm y R ~ 1 μm. El material ferromagnético tiene temperatura de Curie TC = 600 K, calor específicoce = 300 J/(K oC) y densidad ρ = 2·103 kg/m3

→ el haz láser debe producir una irradiancia I ~ 108 W/m2


Interés para comunicaciones ópticas:• láseres pulsados: alta velocidad de transmisión• sintonizables: aprovechar las ventanas

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

1100 1300 1500 1700 1900Wavelength

1310window

λ

1550window

Pérdidas en fibra óptica:ventanas en el IR

Aplicación en comunicaciones ópticas


Otros tipos y aplicaciones

Líquidos: colorante (dye)sintonizable: λ= 540→640 nmP ~ 100 mW

Energy SourceLáser de electrones libresAlta potenciaResonadores EMλ ~ 13 nm

Otros tipos• gel• químicos• nucleares• …

Aplicaciones• industriales: corte, soldadura, …• análisis químico / ambiental: LIDAR• medicina: cirugía• bio-óptica: inducción / marcado de

fluorescencia …• …


Holografía: registro y visualización de imágenes verdaderamente 3D

Registro:Se graba un patrón de interferencia:

haz de referencia + haz procedente del objeto

Visualización:Se reconstruyen los frentes de ondaen amplitud, frecuencia y fase(tal y como procedían del objeto)


Riesgos en el uso de fuentes de luz láser

1. Ocular: La exposición aguda (“puntual”) a algunas longitudes de onda (290-400nm) y/o potencias puede causar quemaduras en la córnea, la retina o ambas. La exposición crónica (“prolongada”) a niveles excesivos puede causar opacidad en la córnea o en el cristalino (cataratas) o daño retinal. La franja de daño retinal es de 400-1400 nm. Los efectos visuales pueden no ser evidentes hasta que el nivel de daño térmico sea muy alto. La exposición al láser Nd:YAG Q-switched (1064 nm) es particularmente peligrosa.

2. Dérmico: La exposición aguda a altos niveles de radiación óptica puede causar quemaduras en la piel. Para potencias 1 W - 5 W el daño inicial es superficial. Para potencias superiores el daño profundo es inmediato. La carcinogénesis puede ocurrir para longitudes de onda ultravioleta (290-320 nm).

3. Químico: Algunos láseres necesitan sustancias peligrosas o tóxicas para su funcionamiento (p.ej.: láseres de colorante o láseres de excímero). Los láseres pueden inducir reacciones químicas con liberación de productos peligrosos gaseosos (p.ej. flúor).

4. Eléctrico: La mayoría de los láseres utilizan fuentes de alto voltaje que pueden ser letales. Fuentes defectuosas de >15 kV pueden emitir rayos-X.

5. Incendio: Los disolventes utilizados en los láseres de colorante son inflamables. Las lámparas de flash o de alto voltaje puede ocasionar ignición. Los materiales inflamables pueden entrar en ignición debido a incidencia directa o reflexiones especulares de láseres infrarrojos continuos de alta potencia.


Los criterios de clasificación de los láseres son los siguientes:

1. Longitud de Onda. Si el láser se ha diseñado para emitir en múltiples longitudes de onda, la clasificación se basa en aquella más peligrosa

2. Para clasificar los láseres de onda continua (continuous wave, CW) o los láseres pulsados repetitivos se consideran la potencia promedio de salida (average power output) (en Watts) y el tiempo de exposición límite (limiting exposure time) inherentes al diseño.

3. Para clasificar los láseres pulsados se consideran la energía total por pulso (total energy per pulse) (en Julios), la duración del pulso (pulse duration), la frecuencia de repetición de pulsos(pulse repetition frequency) y la exposición radiante del haz emergente (emergent beam radiant exposure).

Clasificación de los láseres y sus medidas de seguridad

Los láseres se clasifican por su potencial de riesgo basado en su emisión ópticaLas medidas de seguridad necesarias vienen determinadas por esta clasificaciónDe esta manera, no se imponen restricciones innecesarias en el uso de dispositivos fabricados para uso seguroEn EE.UU la clasificación de los láseres se basa en

American National Standards Institute’s (ANSI)Z136.1 Safe Use of Lasers

En Europa / España se siguen normas análogas:EN 60825 (2001) y otras

¡¡ CONSULTARLAS SIEMPRE!!

Importancia de la reflexión especular o difusaUna superficie puede ser rugosa → reflexión difusa para luz visible

pero ¡ especular ! para la luz IR (10.6 μm) de un láser de CO2

Reflexión especular Reflexión difusa


¡Atención al desmontar carcasas! ↔ ¡¡ puede cambiar la CLASE !!

• Clase 1 denota láseres o sistemas láser que, en condiciones normales de operación, no suponen ningún riesgo.

• Clase 2 denota láseres visibles de baja potencia o sistemas láser que, debido a la respuesta normal del sistema visual humano (parpadeo, movimiento ocular, …) normalmente no representan riesgo pero que pueden presentar potencial de riesgo si inciden en el ojo directamente durante periodos prolongados de tiempo (como muchas fuentes de luz convencionales).

• Clase 3a denota algunos láseres o sistemas láser con una etiqueta de PRECAUCIÓN (CAUTION) que normalmente no causarían daño ocular si se ven únicamente con el ojo desnudo durante períodos momentáneos de tiempo (dentro del período de respuesta –aversión- ocular) pero que pueden presentar un riesgo mayor si se ven utilizando elementos ópticos concentradores (p.ej. lentes). Los láseres de la Clase 3a tienen etiquetas de PELIGRO (DANGER) si pueden exceder los niveles permisibles de exposición. Si se utilizan con precaución, los láseres de la Clase 3a poseen un riesgo bajo de daño.

• Clase 3b denota láseres o sistemas láser que pueden producir daño si se ven directamente. Esto incluye la visión directa de reflexiones especulares. Normalmente, los láseres de Clase 3b no producen reflexión difusa peligrosa.

• Clase 4 denota láseres y sistemas láser que producen daño no solamente por las reflexiones directas o especulares, sino que también pueden producir riesgo significativo en la piel así como riesgo de incendio.

Ej. 4 Un puntero láser consta de un láser de semiconductor de P = 3 mW que forma un punto de 2 mm de diámetro sobre la pantalla

¡¡ irradiancia del sol a nivel del mar !!¡¡ límite máximo del reflejo de parpadeo !!

Clasificación ANSI:

2 2 3 22 ... 9.6 10 10P PI W m W m

A Rπ= = = = ⋅ ∼


Precauciones y Medidas de SeguridadEl Etiquetado debe indicar• punto / dirección de salida del haz• tipo (gas / diodo / iones / …)• modo (continuo / pulsado)• energía y frecuencia de pulsos / potencia• longitud de onda (y si es invisible)• Clase• advertencias (para piel y ojos) según Clase• [norma legal de referencia]• advertencias según sustancias (tóxicas, inflamables, …) y mecanismo de excitación (riesgo eléctrico, …)


Exposición Máxima Permisible (Maximum Permissible Exposure, MPE)La MPE se define en ANSI Z-136.1 como “El nivel de radiación láser al que una persona puede estar expuesta sin sufrir efectos peligrosos o cambios biológicos adversos en el ojo o en la piel“.

La MPE no es una “línea de diferenciación” entre una exposición segura y una peligrosa, sino que representa los niveles máximos que, según el acuerdo de los expertos, pueden ser ocupacionalmente seguros para exposiciones repetidas.

La MPE, expresada en [J/cm2] or [W/cm2], depende de los parámetros del láser:

• longitud de onda

• duración de la exposición / Frecuencia de Repetición de Pulsos (Pulse Repetition Frequency, PRF),

• naturaleza de la exposición: directa, reflexión especular o difusa

Zona de Riesgo Nominal (Nominal Hazard Zone, NHZ)En algunas aplicaciones se requiere disponer de haces expuestos o “al aire” (open beams), siendo necesario definir el área de radiación láser potencialmente peligrosa.

Este área se llama ZONA DE RIESGO NOMINAL (nominal hazard zone, NHZ) y se define como el espacio dentro del cual el nivel de radiación láser directa, dispersada o reflejada excede la MPE. El objetivo de la NHZ es definir el área en la cual se requieren medidas de control y seguridad. Debe estar adecuadamente señalizada.

Dispositivos de protección ocular para láser (laser safety eyewear)1. Los dispositivos de protección ocular deben estar disponibles y ser utilizados por todo el personal dentro de la NHZ de los láseres de Clase 3b y Clase 4 donde puedan ocurrir exposiciones que superen la MPE. 2.El factor de atenuación (densidad óptica) de los dispositivos de protección visual debe ser especificado, para cada longitud de onda, por el Funcionario de Seguridad Láser (Laser Safety Officer LSO). 3.Todos los dispositivos de protección visual láser deben estar claramente etiquetados con la densidad óptica y la longitud de onda para la que ofrecen protección. Esto es especialmente importante en las áreas donde existan múltiples sistemas láser.4. Los dispositivos de protección visual láser deben inspeccionarse, por si presentan daños, previamente a su uso.


Tipos (comunes) de protectores oculares

Factores a considerar al seleccionar los dispositivos de protección ocularLos protectores oculares se fabrican en polímeros o cristales con un absorbente:

1. Los protectores específicos para una longitud de onda no sirven para otra (aunque sean próximas).2. El fabricante debe señalar el tiempo máximo de resistencia (del protector) a la exposición indicando:

- modo continuo: potencia y número máximo de segundos - modo pulsado: número máximo de pulsos / frecuencia y energía/pulso

3. El material absorbente se degrada con el tiempo: ¡¡ caducidad !!4. Deben permitir el máximo de visión (mínima atenuación) en el resto del espectro visible. Para la mayoría de las

aplicaciones, no deben atenuar por completo el láser para permitir ver la localización del haz. 5. Otros: ángulo de visión y visión periférica, atenuación en otras longitudes de onda, posibilidad de llevar gafas de

corrección oftálmica simultáneas, resistencia a impactos y salpicaduras, peso y comodidad.

Goggles(gafas “submarinas”)

Full-view spectacles(gafas de campo completo)

Lightweight spectacles(gafas ligeras)

wrap-around spectacles(gafas envolventes)

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