Talk: Lasers Lasers and their applications Philippe W. Courteille http://www.ifsc.usp.br/∼strontium/ Talk: Lasers Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Luz Amplificada por Emiss~aoEstimulada de Radia¸c~ao Fonte de luz direcionada, intensa, polarizada, coerente, monocrom´atica Alfred Kastler Charles Townes bombeamento ´optico1950 primeiro maser 1953 Theodore Maiman Arthur Schawlow, Gordon Gould Aleksandr Prokhorov primeiro laser 1960 ressonador ´optico1955 muitos n´ıveis,ressonador ´optico Talk: Lasers Hist´orico Albert Einstein equa¸c~oesde taxa 1924 Charles Townes primeiro maser 1953 Theodore Maiman Arthur Schawlow, Gordon Gould Aleksandr Prokhorov primeiro laser 1960 ressonador ´optico1955 muitos n´ıveis,ressonador ´optico Talk: Lasers Hist´orico Albert Einstein Alfred Kastler equa¸c~oesde taxa 1924 bombeamento ´optico1950 Theodore Maiman Arthur Schawlow, Gordon Gould Aleksandr Prokhorov primeiro laser 1960 ressonador ´optico1955 muitos n´ıveis,ressonador ´optico Talk: Lasers Hist´orico Albert Einstein Alfred Kastler Charles Townes equa¸c~oesde taxa 1924 bombeamento ´optico1950 primeiro maser 1953 Theodore Maiman Arthur Schawlow, Gordon Gould primeiro laser 1960 ressonador ´optico1955 Talk: Lasers Hist´orico Albert Einstein Alfred Kastler Charles Townes equa¸c~oesde taxa 1924 bombeamento ´optico1950 primeiro maser 1953 Aleksandr Prokhorov muitos n´ıveis,ressonador ´optico Theodore Maiman primeiro laser 1960 Talk: Lasers Hist´orico Albert Einstein Alfred Kastler Charles Townes equa¸c~oesde taxa 1924 bombeamento ´optico1950 primeiro maser 1953 Arthur Schawlow, Gordon Gould Aleksandr Prokhorov ressonador ´optico1955 muitos n´ıveis,ressonador ´optico Talk: Lasers Hist´orico Albert Einstein Alfred Kastler Charles Townes equa¸c~oesde taxa 1924 bombeamento ´optico1950 primeiro maser 1953 Theodore Maiman Arthur Schawlow, Gordon Gould Aleksandr Prokhorov primeiro laser 1960 ressonador ´optico1955 muitos n´ıveis,ressonador ´optico Talk: Lasers Primeiras aplica¸c~oes:Processamento de material James Bond versus Goldfinger (1964) taxa de absor¸c~ao emiss~aoespont^anea emiss~aoestimulada / B12I(ν)N1 / A21N2 / B21I(ν)N2 Precisamos: ganhos perdas ou seja N2 N1 1000 800 aumentando I(ν) dN2 dN1 dt = −A21N2 − B21I(ν)N2 + B21I(ν)N1 = − dt 2 600 , N com N = N − N 1 1 2 N 400 200 I(ν)B21N −(A21+2B21I(ν))t aumentando I( ) N2 = [1 − e ] < N1 ν A+2B21I(ν) 0 0 1 2 3 4 5 tempo Talk: Lasers Intera¸c~aoluz-mat´eria Precisamos: ganhos perdas ou seja N2 N1 1000 800 aumentando I(ν) dN2 dN1 dt = −A21N2 − B21I(ν)N2 + B21I(ν)N1 = − dt 2 600 , N com N = N − N 1 1 2 N 400 200 I(ν)B21N −(A21+2B21I(ν))t aumentando I( ) N2 = [1 − e ] < N1 ν A+2B21I(ν) 0 0 1 2 3 4 5 tempo Talk: Lasers Intera¸c~aoluz-mat´eria taxa de absor¸c~ao emiss~aoespont^anea emiss~aoestimulada / B12I(ν)N1 / A21N2 / B21I(ν)N2 1000 800 aumentando I(ν) dN2 dN1 dt = −A21N2 − B21I(ν)N2 + B21I(ν)N1 = − dt 2 600 , N com N = N − N 1 1 2 N 400 200 I(ν)B21N −(A21+2B21I(ν))t aumentando I( ) N2 = [1 − e ] < N1 ν A+2B21I(ν) 0 0 1 2 3 4 5 tempo Talk: Lasers Intera¸c~aoluz-mat´eria taxa de absor¸c~ao emiss~aoespont^anea emiss~aoestimulada / B12I(ν)N1 / A21N2 / B21I(ν)N2 Precisamos: ganhos perdas ou seja N2 N1 1000 800 aumentando I(ν) 2 600 , N 1 N 400 200 I(ν)B21N −(A21+2B21I(ν))t aumentando I( ) N2 = [1 − e ] < N1 ν A+2B21I(ν) 0 0 1 2 3 4 5 tempo Talk: Lasers Intera¸c~aoluz-mat´eria taxa de absor¸c~ao emiss~aoespont^anea emiss~aoestimulada / B12I(ν)N1 / A21N2 / B21I(ν)N2 Precisamos: ganhos perdas ou seja N2 N1 dN2 dN1 dt = −A21N2 − B21I(ν)N2 + B21I(ν)N1 = − dt com N1 = N − N2 Talk: Lasers Intera¸c~aoluz-mat´eria taxa de absor¸c~ao emiss~aoespont^anea emiss~aoestimulada / B12I(ν)N1 / A21N2 / B21I(ν)N2 Precisamos: ganhos perdas ou seja N2 N1 1000 800 aumentando I(ν) dN2 dN1 dt = −A21N2 − B21I(ν)N2 + B21I(ν)N1 = − dt 2 600 , N com N = N − N 1 1 2 N 400 200 I(ν)B21N −(A21+2B21I(ν))t aumentando I( ) N2 = [1 − e ] < N1 ν A+2B21I(ν) 0 0 1 2 3 4 5 tempo • ´atomosde ≥ 3 n´ıveis(processo irrevers´ıvel) • processo de estimula¸c~ao • mecanismo de retroa¸c~ao(espelhos) Talk: Lasers O que precisa para construir um laser ? Talk: Lasers O que precisa para construir um laser ? • ´atomosde ≥ 3 n´ıveis(processo irrevers´ıvel) • processo de estimula¸c~ao • mecanismo de retroa¸c~ao(espelhos) coerente polarizada monocrom´atica intensa Talk: Lasers Propriedades 1 Luz incandescente Laser Pictures of march versus marathon to ilustrate (de-)coherence. incoerente n~aopolarizada todas as cores energia por intervalo de frequ^enciafraca Talk: Lasers Propriedades 1 Luz incandescente Laser Pictures of march versus marathon to ilustrate (de-)coherence. incoerente coerente n~aopolarizada polarizada todas as cores monocrom´atica energia por intervalo de frequ^enciafraca intensa Lasers pulsados s~aomuito intensos laser de attosegundos ∆t = 10−16 Hz Energia ∼ MJ Talk: Lasers Propriedades 2 Lasers cont´ınuoss~aomuito precisos (at´e 10−18) ´atomosneutrais em redes ´opticas ν87Sr = 429 228 004 229 873:60 (71) Hz ´ıonsindividuais aprisionados ν199Hg+ = 1 064 721 609 899 144:94 (97) Hz Talk: Lasers Propriedades 2 Lasers cont´ınuoss~aomuito precisos (at´e 10−18) ´atomosneutrais em redes ´opticas ν87Sr = 429 228 004 229 873:60 (71) Hz ´ıonsindividuais aprisionados ν199Hg+ = 1 064 721 609 899 144:94 (97) Hz Lasers pulsados s~aomuito intensos laser de attosegundos ∆t = 10−16 Hz Energia ∼ MJ Laser de g´asbombeado por descarga el´etrica Talk: Lasers Tipos de lasers 1 Laser de rubi bombeado por l^ampadade flash Talk: Lasers Tipos de lasers 1 Laser de rubi bombeado por l^ampadade flash Laser de g´asbombeado por descarga el´etrica Laser de diodo bombeado por corrente aplicada a transi¸c~aoentre semicondutores Talk: Lasers Tipos de lasers 2 Laser de corante bombeado por outro laser Talk: Lasers Tipos de lasers 2 Laser de corante bombeado por outro laser Laser de diodo bombeado por corrente aplicada a transi¸c~aoentre semicondutores Laser de el´etronlivres bombeado por s´ıncrotron Talk: Lasers Tipos de lasers 3 Laser de fibra bombeado por outro laser Talk: Lasers Tipos de lasers 3 Laser de fibra bombeado por outro laser Laser de el´etronlivres bombeado por s´ıncrotron Talk: Lasers Uso de lasers 1 leitor CD & DVD & blue ray telecomunica¸c~ao laser pointer manipula¸c~aode materiais metrologia pesquisa fundamental Talk: Lasers Uso de lasers 2 tratamento de cancer, acne, etc. depila¸c~ao cirurgia por laser espada star wars weapons Mas a mat´eriatamb´em´e! Seria que podemos fazer um laser de mat´eria? luz incoerente ) laser g´asesquentes ) condensado de Bose-Einstein Talk: Lasers Laser de mat´eria A luz ´euma onda ! Seria que podemos fazer um laser de mat´eria? luz incoerente ) laser g´asesquentes ) condensado de Bose-Einstein Talk: Lasers Laser de mat´eria A luz ´euma onda ! Mas a mat´eriatamb´em´e! luz incoerente ) laser g´asesquentes ) condensado de Bose-Einstein Talk: Lasers Laser de mat´eria A luz ´euma onda ! Mas a mat´eriatamb´em´e! Seria que podemos fazer um laser de mat´eria? g´asesquentes ) condensado de Bose-Einstein Talk: Lasers Laser de mat´eria A luz ´euma onda ! Mas a mat´eriatamb´em´e! Seria que podemos fazer um laser de mat´eria? luz incoerente ) laser Talk: Lasers Laser de mat´eria A luz ´euma onda ! Mas a mat´eriatamb´em´e! Seria que podemos fazer um laser de mat´eria? luz incoerente ) laser g´asesquentes ) condensado de Bose-Einstein Talk: Lasers Condensado de Bose-Einstein Talk: Lasers Condensado de Bose-Einstein Talk: Lasers Laser na pesquisa fundamental Uso de lasers em nosso lab: • desacelera¸c~aoe resfriamento de ´atomosat´e100 nK • aprisionamento de ´atomos • sensoriamento (imagens fotogr´aficasdos ´atomos) • espectroscopia (analise da estrutura interna de ´atomos) • metrologia (rel´ogiosat^omicos) • cavidades ´opticaspara gravimetria.