tema 9 el principio del camino del láser hacia las comunicaciones

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
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Willebrord van
Roijen Snell
GUIADO DE LA LUZ
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1580 - 1626
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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.
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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.
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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
con "núcleo" y "cubierta".
Experiencias de
John Tyndall en The
Royal Institution de
Gran Bretaña, el 19
de mayo de 1854.
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EL FOTÓFONO
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“Transmitting
Articulate Speech
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
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.
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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)
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NOTICIA APARECIDA EN "DER NATUUR", 1881,
pág. 1, INFORMANDO DEL INVENTO DEL
FOTÓFONO.
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FOTÓFONO DE BELL Y TAINTER (1881)
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(Der Natuur.
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1881, p.1)
Transmisor
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Photophone Transmitter - Bell & Tainter patent
235,496 granted 1880/12/14
from Tainter Papers, NMAH
Receptor
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Selenium Cells - Bell & Tainter patent 235,497
granted 1880/12/14
from Tainter Papers, NMAH
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Selenium Cells - Tainter patent 235,590 granted
1880/12/14
from Tainter Papers, NMAH
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Letter from Alexander
Graham Bell to Alexander
Melville Bell, February 26,
1880
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Letter from Alexander Graham
Bell to Marian Bell Fairchild,
February 15, 1901
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OTRAS PROPUESTAS
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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.
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(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)
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SISTEMA DE TELEFONÍA ÓPTICA DE NORMAN R. FRENCH,
PATENTADO EN 1934.
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PRIMEROS PASOS DEL
LÁSER
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EL CUERPO NEGRO
Equipo utilizado por Coblentz, en la década de los 20,
para medir la radiación del cuerpo negro.
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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
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Variación de la densidad de energía por unidad de
longitud de onda, en función de la longitud de onda,
emitida por un cuerpo negro.
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- 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
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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
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Situación inicial
Proceso
Introdujo en él el concepto
de “emisión estimulada” y
los coeficientes A y B que
llevan su nombre.
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Situación final
Coeficiente
Absorción
B12
Emisión
espontánea
A21
Emisión
estimulada
B21
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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.
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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.
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EL MÁSER EN
ESTADOS UNIDOS
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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
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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).
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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.
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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)
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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)
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Nikolay Gennadiyevich
Basov (Николай
Геннадиевич Басов)
(December 14, 1922 –
July 1, 2001)
Recibieron el Premio Nobel en 1964
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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, …
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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
Arthur Leonard
Schawlow
(May 5, 1921-April 28, 1999)
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