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Taller de ciencia
para profes 2006
La lente
del
conocimiento
Dr. Carlos G.
Treviño Palacios
¿Qué es la óptica?
 La óptica es la ciencia de controlar la LUZ
 La LUZ es parte de un tipo de energía llamada
“radiación electromagnética” (EM). La LUZ es
la parte de las ondas EM que podemos VER y
forma los colores del arcoiris
 Los científicos e ingenieros usan sus ojos para
ver la la LUZ principalmente pero tambien usan
otras maneras
Una Breve Historia
Los orígenes de la óptica se remontan
a la antigüedad.
En el 1200 a.c. en el Éxodo 38:8 se
cuenta como, mientras preparaba el
arca y el tabernáculo, Bezabel
remoldeaba los cristales donde se
veían las mujeres.
Una Breve Historia
Los primeros espejos se hicieron de
cobre pulido, bronce, y más tarde de
especulum, una aleación de cobre rica
en estaño.
Un espejo en perfectas condiciones
fue desenterrado cerca de la
pirámide de Sesostris II (1900 a.c.)
en el valle del Nilo.
Una Breve Historia
La primera referencia a las lentes se
encuentra en los escritos de Confucio
(500 a.c.) quien decía que las lentes
mejoraban la visión.
La primera mención al fenómeno de la
refracción la encontramos en el libro
de Platón La república
Euclides (300 a.c.) en su libro
Catoptrica establecio por primera vez
la ley de reflexión y algunas
propiedades de los espejos esfericos.
Una Breve Historia
Durante la Edad media, la óptica, al igual que las demás ciencias,
progreso relativamente poco, un poco más de 1000 años de
oscuridad.
Alhazen (965 – 1038 d.c.) hizo el primer estudio serio acerca de
la refracción, probando la ley aproximada de Ptolomeo, y
encontro una ley que daba las posiciones relativas de un objeto y
su imagen formada por una lente convergente
Roger Bacon (1214 – 1294 d.c.) sugirió la
forma en que podría hacer un telescopio
aunque nunca llego a costruir uno
Una Breve Historia
El primer microscopio fue construido probablemente por
Zacharias Jansen en Holanda en 1608; sin embargo, sus
imperfecciones eran tan grandes que solo obtenía una
amplificación de 3.
Casi simultáneamente (1608) pero de manera
independientemente, Hans Lippersey, también
en Holanda, construyó el primer telescopio.
El primer telescopio con calidad razonable fue
construido por Galileo Galilei en 1609, el cual
tenia una amplificación aproximada de 30
Una Breve Historia
En 1672 Sir Isaac Newton publicó un documento
en el que describía sus experimentos con el
fenómeno de la dispersión cromática de la luz en
prismas. Además, probo que se obtiene luz blanca
con la superposición de todos los colores.
Una Breve Historia
Teoría corpuscular
Isaac Newton (1642-1727) supuso que la
luz era un flujo de partículas.
Teoría ondulatoria
Christian Huygens (1629-1625) propuso
una teoría basado en que la luz es una
onda.
James Clerk Maxwell (1831-1879) supuso
que la luz era una onda electromagnética.
Una Breve Historia
Thomas Young (1773-1829) introduce el
principio de interferencia
La evolución del
Electromagnetismo se dio con
los experimentos de Michael
Faraday (1791-1867)
Todas las ideas fueron reunidas por J.C.
Maxwell y siguen siendo usadas hoy día.
Ecuaciones de Maxwell

D  

 B  0 

H
 E  
t
 E 
 H 
J
t

 
D  0E  P

 
B  0 H  M
Pero al fin y al cabo
¿qué es la óptica?
¿Qué es la óptica?
Óptica es el campo de la ciencia
y la ingeniería que comprende los
fenómenos físicos y tecnologías
asociadas con la generación,
transmisión, manipulación,
detección y uso de la luz
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
Fundamental
Aplicado
Ciencia Aplicada
Tecnología
Ciencia
Ciencia Básica
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
Fundamental
Aplicado
Procesamiento
Teoría de
de Señales
Control Sistemas
Óptica Comunicaciones Electrónica
Tecnología
Ciencia
Altas
Física Gravitación Óptica Física
Materia
Energías Nuclear
Atómica Condensada
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
Óptica Comunicaciones Electrónica
Diseño Óptico
Materiales Ópticos
Láseres
Propiedades Ópticas
de Materiales
Óptica Cuántica
Altas
Física Gravitación Óptica Física
Materia
Energías Nuclear
Atómica Condensada
Óptica
Fundamental
Fotónica
Dispositivos
Fundamental
Óptica
Aplicada
Aplicado
Procesamiento
Teoría de
de Señales
Control Sistemas
Fotónica
Fotónica es la ciencia de generación y
aprovechamiento de la luz y otras formas de
energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón
Ésta ciencia incluye la emisión, transmisión,
reflexión, amplificación y detección de la luz
mediante instrumentos y elementos ópticos,
láseres y otras fuentes de luz
luz, fibras ópticas,
instrumentación electro-óptica y electrónica
relacionada.
Fotónica
Fotónica es la ciencia de generación y
aprovechamiento de la luz y otras formas de
energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón
El campo de aplicación de la fotónica se extiende
desde la generación a la detección de luz y el
procesamiento de información.
Desde el punto de vista de la óptica
la optoelectrónica entra dentro
del campo de la fotónica
Optoelectrónica
La optoelectrónica es un campo que contiene conocimientos
de la óptica y la electrónica, y su definición varia
ligeramente desde ambos lados.
Va más alla de solamente interactuar electrónes con
fotónes de ser así, una lámpara sería un dispositivo
fotónes;
optoelectrónico.
La Optoelectrónica se entiende dentro de la óptica como
cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o
responda a la radiación óptica, o use una señal óptica para su
operación.
Optoelectrónica
El nivel de conocimientos necesarios para crear, estudiar y
controla los dispositivos optoelectrónicos va desde la ciencia
más básica a la ingeniería más aplicada.
Desde el punto de vista fundamental se requiere
comprender la física de materiales, estado sólido,
interacción radiación-materia, mecánica cuántica
y teoría electromagnética.
Desde el punto de vista aplicado se requiere ser capaz
de integrar a gran escala elementos complejos y tener
las herramientas para realizarlas suficientemente
rápido, más alla de la electrónica tradicional.
Optoelectrónica
Dada su definición, la optoelectrónica es muy usada en manejo
de señales.
Su principal campo de acción son las comunicaciones
La electrónica tradicional se complica conmutando señales con
anchos de banda más alla de 5 GHz
Por otro lado la luz tiene una longitud de onda de
alrededor de 1µm (portadora λ ~ 300 THz)
Potencialmente se tiene un ancho de banda de 30 THz !!!
Sumario
Óptica es el campo de la ciencia y la ingeniería que
comprende los fenómenos físicos y tecnologías asociadas
con la generación, transmisión, manipulación, detección y
uso de la luz
Fotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento
de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad
cuántica es el fotón
Optoelectrónica se entiende dentro de la óptica como
cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o responda
a la radiación óptica, o use una señal óptica para su operación.
Biofotónica
Es un término reconocido recientemente en el ámbito
mundial para describir el uso de láseres y óptica en
biología y medicina, así como el uso de materiales
biológicos en aplicaciones optoelectrónicas.
Es otra manera de llamar a las aplicaciones de la
óptica en ingeniería biomédica y biotecnología, y la
retroalimentación de éstos para concebir desarrollos
tecnológicos basados en sistemas que se encuentran
en la naturaleza, por ejemplo generar dispositivos y
modelos aplicados en comunicaciones.
Comunicaciones Ópticas
La historia de las comunicaciones por métodos ópticos
es casi tan antigua como la óptica.
Comunicaciones Ópticas
En los tiempos modernos, el “telégrafo óptico” de Claude
Chappe en los 1790´s es el primer medio de telecomunicación
óptica. a mediados del siglo XIX fue sustituido por el telégrafo
eléctrico
En 1880 Graham Bell inventa el Fotófono - Un teléfono donde
la comunicación se realiza por medios ópticos
En 1950´s Las comunicaciones en guías de
onda milimétricas toma auge tras la Segunda Guerra Mundial
Comunicaciones Ópticas
En 1956 Curtiss hace la primera fibra óptica con recubierta
En 1960 Theodore Maiman inventa el primer láser
En1970 Bell labs demuestra la primera transmisión a través de
fibra óptica en una exhibición de física en Londres
En 1971 Corning demuestra la primera fibra con bajas pérdidas
En 1975 se instaló el primer sistema de fibra para comunicación
en Dorset Inglaterra.
Comunicaciones Ópticas
En 1993 Se desarrolla MOSAIC en el CERN, Suiza
En 1995: Se desarrollo el amplificador de fibra óptica dopada
con erbio, y ya no se requiere regeneración electrónica
En 1999 se desarrolla WDM
.....
Fibras Ópticas
Las fibras ópticas es tuberia flexible para la luz
En 1920’s: Tubos doblados de vidrio fueron usados para
iluminación en microscopia
En 1980’s: Se encontró la manera de producir fibras ópticas
con bajas pérdidas (menores a 0.01 dB/km)
En 1995: Se desarrollo el amplificador de fibra óptica dopada
con erbio , y ya no se requiere regeneración electrónica
Estos son los precursores del Internet
Espectro electromagnético
Ventajas de las fibras ópticas
Económicas
Bajo costo por metro por canal de telefonía que
el cable coaxial
Consideremos una fibra de 125 µm encapsulada en plástico
Diámetro total del cable: 2.5 mm
Peso: 6 kg por km
Pérdidas: 5 dB por km
Comparada con cable coaxial nominal (RG-19U)
Diámetro total del cable: 28.4 mm
Peso: 1110 kg por km
Pérdidas: 22.6 dB por km a 100 MHz
Ventajas de las fibras ópticas
Menor costo de instalación, operación y mantenimiento
que el cable coaxial
Menor costo de instalación, operación y mantenimiento
- Aislantes - no existe acoplamiento inductivo (RF,IEM)
- No se puede acoplar luz desde desde los lados
- No emite radiación secundaria (seguridad/privacidad)
Desventajas de las fibras ópticas
Los conectors son caros y causan de 1 a 2 dB de pérdidas
Cada unión genera pérdidas mayores a 0.1 dB
La alineación en los empalmes es crítica
ATTENUATION (dB)/km
14
Atenuación efectiva de 1-km de
cable coaxial y una fibra óptica.
C o axial Lin e
12
El ancho de banda de 3 dB de la
fibra óptica es de 500MHz.
8
4
0
G lass F iber
0.1
0.5 1
5 10
50 100
FR E QUE NC Y (MHz / Mbps)
500 1000
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Solitones
La mejor manera de resolver problemas de dispersión
Dispersión normal
t = 0
Solitones
La mejor manera de resolver problemas de dispersión
Dispersión normal
t > 0
Generando un potencial que depende de la intensidad
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
Fibras ópticas para comunicaciones
Las fibras ópticas son elementos fundamentales en las
telecomunicaciones hoy día.
Las fibras ópticas hicieron posible
ésta revolución en la ciencia y la
tecnología actual (Internet)
No es la única técnica posible, pero si la más prometedora.
Los conceptos básicos están muy bien entendidos.
Falta explotar el ancho de banda de la fibras a su máxima
capacidad, usando las ideas de la fotónica
Algunos
Fenómenos
Visuales
Entonces ...
Sabemos que la luz es una onda electromagnética
Sabemos que tenemos fuentes de luz
como el sol y los láseres
Sabemos que podemos controlar la luz
usando lentes, espejos o instrumentos
Y sabemos que podemos usar nuestros ojos
o cámaras para VER la luz
... y unas palabras finales
Los científicos en óptica jugamos con luz
para saber por que pasan las cosas
Somos curiosos y siempre estamos
viendo por que pasan las cosas
Pero lo más importante:
Nunca nos damos por satisfechos
“Podría decirme, por favor, ¿a dónde puedo dirigirme?
“Eso depende en buena medida a donde quieres ir,” dijo el Gato.
“Realmente no importa donde--” dijo Alicia
“Entonces no importa que dirección tomes”, dijo el Gato.
“-- mientras llegue a algún lugar,” dijo Alicia como explicación
“Ah! Seguramente lo vas a lograr”, dijo el Gato,
“si caminas lo suficiente.”
Alicia en el país de las Maravillas
Lewis Carroll
Dr. Carlos Gerardo Treviño Palacios
INAOE
Coordinación de Óptica
Grupo de Ciencia e Ingeniería Óptica (CIOe)
Apartado Postal 51 y 216
Puebla Pue 72000
Mexico
TEL: 52-(222)-266-31-00 ext 1210
FAX: 52-(222)-247-29-40
URL: http://www-optica.inaoep.mx/investigadores/dr_trevino.htm
carlost@inaoep.mx