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“Aplicaciones terrestres y extraterrestres de láseres pulsados”
Dr. Mayo Villagrán Muniz
Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT)
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
27/10 12:00 – 12:45
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Estructura de la plática
Laboratorio de Fotofísica y Películas Delgadas del ICAT-UNAM
¿Quiénes somos?
¿Qué hacemos?
Generalidades de nuestro trabajo para “ver” y “oír” como responde
la materia, después de la excitación con un pulso láser de ns (10-9 s)
* Un trabajo de hace 20 años recordando a Mario Molina y a Rafael Navarro
Estudia la interacción de la luz con la materia
y los procesos que desencadena esta interacción
¿Quiénes somos?
INFRAESTRUCTURA
Diciembre 2018
Diciembre 2008
Laboratorio de Fotofísica y Películas Delgadas (CI-CCADET-ICAT/UNAM)
En Fotofísica ¿qué hacemos?
“interacción de luz con materia”
¿Qué luz?, … los láseres
procesos radiativos (i.e. espectroscopías –emisión y
absorción de luz-)
procesos no radiativos (i.e fotoacústica --emisión de sonido--)
procesos no lineales (i.e. segundo armónico)
…
Consiste en utilizar pulsos láser de alta potencia como fuente de energía para la extracción de material de un sólido cualquiera (inmerso en gas o líquido).
Caricatura de la “ablación” con pulsos de ns
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Excitar, “VER” y analizar la luz emitida
Hacemos espectroscopía resuelta en tiempo
Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS o ERIL)
Formación de nanopartículas con láser pulsado (ns)
Sobre un sustrato depositamos
una partícula metálica. La irradiamos
con pulsos láser de ns y formamos
Nanopartúculas
A esto se la llama:
NANOESTRUCTURACIÓN
DE SUPERFICIES
λ=355 nm, N=5, F=100 mJ/cm2
Au (40nm) sobre vidrio
200 nm
1 μm
antes
después
La idea es hacer películas por una técnica híbrida de combinación de: Ablación láser + Pulverización catódica
Al hacer ablación en vacío, el plasma se expande podemos hacer películas delgadas
Podemos “ablacionar” el aire Plasma Inducido por Láser (PIL)
Láser de Nd: YAG:
1064 nm, (no se ve)
7 ns, 350 mJ, 10 Hz
El aire “explota” porque el campo eléctrico de la luz
del láser enfocado, supera la resistencia del aire.
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Premio Nobel 1995
Rafael Navarro
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Proceso de formación de un relámpago
Fotografía resuelta en tiempo de la fase inicial de un relámpago
(Source: Salanave, L.E.: 1980, Lightning and Its Spectrum. An Atlas of Photographs, Univ. of Arizona Press, Tucson).
Estimación global de la emisión de óxidos nitrosos (NOx)
de la última década*
_______________________________________________________
Fuente Tg (N) año-1
_______________________________________________________
Quema de combustible 24
Desprendimiento de la tierra 12
Quema de biomasa 8
Relámpagos 5
Oxidación de NH3 3
Aviones 0.4
Transporte de la estratosfera 0.1
_______________________________________________________
*Climate Change 1994. Radiative forcing of climate change and
evaluation of the IPCC IS92 emission scenarios, Cambridge University Press, 1995.
Podría ser un problema en el futuro…
No se sabía donde se producían los óxidos nitrosos
Había dos teorías
En el canal de descarga
En la onda de choque
Simulación experimental de relámpagos
emplenado PIL
Es complicado simular relámpagos con descargas de alta tensión
Simulación de relámpagos con láseres pulsados
*
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Reactores con aire
sin irradiar (lado izquierdo)
irradiado (lado derecho)
Sistema experimental para
la simulación de relámpagos
inducido por un láser de Nd:YAG
Laboratorio de Fotofísica
Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico
Universidad Nacional Autónoma de México
Ciudad Universitaria
Evolución Temporal de un PIL
HS= separador de armónicos, A= atenuador, R=retroreflector, BS= divisor de haz, E= expansor, EM=medidor de energía, OD=detección óptica, L=lentes, DG=generador de retrasos, M=espejos, S=pantalla.
Sombras e Interferometría
Interferogramas obtenidos con un láser de
He-Ne@633nm de un PLI en aire (E= 300 mJ)
Se usó el mismo arreglo que para obtener sombras
laser
5 μs
15 μs
30 μs
Evolución de la temperatura del frente de la onda de choque
Temperaturas de miles de grados !!!!!!!!
Evolución temporal de la temperatura del aire caliente del centro de un PIL
Se enfría rápido, pero ¿para qué sirven estas medidas?
NA V(TF ) p ƒ°NO(TF)
P(NO) = ——————————— molecule J-1
R TF (Ei – Et )
NA : Avogadro constant
V(TF ) : Volume of heated air at the freeze-out temperature
p : Pressure
ƒ°NO(TF) : Nitric oxide equilibrium mixing ratio at the freeze-out temperature
R : Gas constant
TF : Freeze-out temperature
Ei : Incident laser energy
Et : Transmitted laser energy
Podemos calcular la producción de óxidos nitrosos
en el canal caliente y el la onda de choque
Con las medidas anteriores y modelos químicos …
El mecanismo físico de la formación de óxidos nitrosos en relámpagos simulados
Contribución del canal de aire caliente:
P(NO) = (1.5 ± 0.5) × 1017 moléculas J-1
~ 99.8%
Contribución de la onda de choque:
P(NO) ≤ (3 ± 2) × 1014 molecule J-1
R. Navarro González, M. Villagrán Muniz, H. Sobral, L.T Molina and M. Molina, Geophysical Research Letters, vol. 28, pp. 3867-3870, 2001.
NINGUNA TÉCNICA ES ABSOLUTA!!!
Voy a contarles de una nueva/vieja técnica
que utiliza láseres pulsados en la que no hemos
especializado y usamos simultáneamente
con técnicas espectroscópicas de emisión
Cuanto más técnicas se usen para
caracterizar la interacción, mejor…
Con láseres en general se aumenta
la sensibilidad y resolución
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En 1880 Alexander G. Bell
propuso el efecto fotoacústico
“Con luz, hacemos ruido”!!!!!
A. G. Bell
Espectrófono de Bell
EXCITAMOS con LUZ y detectamos SONIDO
El efecto inverso: sonoluminiscencia
Bombemos con altas frecuencias y lemos bajas frecuencias
Eficiencias de detección MUY ALTAS
Lens
10 mL
of Ethanol
Mirror
Laser parameters
Ein= 1 – 10 mJ.
pulses: 3001.
1 – 10 Hz.
Z =-1,-2,-3,0,1 mm
Osciloscope
Attenuator
Pyroelectric
Sensor
Piezoelectric
Sensor
Pulse
Generator
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Nanoparticles by laser ablation (confined plasmas)
Película de un pulso de ns sobre un metal sumergido en agua
(500,000 fotos por segundo)
Evolution of a cavitation bubble and the produced photoacoustic signal.
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*
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Image of a living rat's brain obtained by photoacoustic detection of nanoshells.
PAT (Laser-induced photoacoustic tomography) de una rat
*
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14th INTERNATIONAL CONFERENCE ON PHOTOACOUSTIC AND PHOTOTHERMAL PHENOMENA
Cairo, Egypt, January 6 - 9, 2007
Patel, Kumar
(Senior Prize)
Laser Photoacoustic Spectroscopy Helps Fight Terrorism: High Sensitivity Detection of Chemical Warfare Agent and Explosives.
(L-PAS) laser-based
photoacoustic spectroscopy
(QCL) quantum cascade laser
2,4,6-trinitrotoluene (TNT)
*
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*
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El análisis de estas ondas ultrasónicas, permiten medir constantes elásticas
de las hojas sin contacto y a la distancia
EXPERIMENTAL SIMULATION OF CHICXULUB IMPACT OCCURRED IN THE LIMIT
OF CRETACEOUS / PALEOGENE BY LASER ABLATION OF MARINE SEDIMENTS
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It is considered that the shock wave caused by impact lead to the formation of nitrogen oxides (NOx).
By physical and chemical techniques, simulating the collision by the ablation pulse, we try to identify the gases that might have formed.
Plasma generated during
laser ablation.
The gases released were analyzed by chromatography coupled to a mass spectrograph.
0.16% CO2, 30% O2 and 69.84 N2 at 1000 mbar with 50 mJ pulses
(Berner, R.A, and Landis, G.P.: 1988, Gas Bubbles in Fossil Amber as Possible Indicators of the Major Gas Composition of Ancient Air. Science 239, 1406-1409)
Schematic diagram showing the experimental setup to study the temporal evolution of a simulated Chicxulub fireball by shadowgraphy and emission spectroscopy using laser ablation of a Yaxcopoil-1 target sample in a reconstructed K-Pg atmosphere composed of 0.16% CO2, 30% O2, and 69.84% N2 at 1000 mbar.
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vacuum chamber
detection
Shockwave evolution (1-10 μs)
Long time evolution (20 - 500 μs)
Figure 3. Plasma emission spectrum of the laser-induced impact plume after 1 μs from
laser ignition on a Yax-1 target sample in simulated K/Pg atmosphere composed of 30% O2,
69.84 N2, and 0.16% CO2 at 1000 mbar.
Emission spectra of a simulated Chicxulub impact-vapor plume at the Cretaceous–Paleogene
boundary, Karina F. Navarro et al., Icarus 346 (2020) 113813
Figure 4. Temporal evolution of the emission lines for Ca (560.3 nm),
Ca+ (393.4 nm), Ca2+ (336.8 nm), O (533.1 nm), O+ (736.5 nm),
and N (750.8 nm) from the laser-induced impact plume generated
on the Yax-1 target sample in simulated K/Pg atmosphere composed
of 30% O2, 69.84 N2, and 0.16% CO2 at 1000 mbar.
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Conclusiones Generales
La colaboración entre grupos es fundamental, surgen nuevas ideas, compartimos experiencias, equipos y
además…, nos divertimos.
Tenemos la habilidad de “ver” y “oír” procesos fotofísicos
Inducidos por láseres pulsados
Vengan a conocer el laboratorio de Fotofísica en el ICAT
Jóvenes, ustedes serán los investigadores del futuro
¡¡Vengan que los necesitamos!!
Mayo Villagrán Muniz
mayo.villagran@icat.unam.mx
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¡MUCHAS GRACIAS!
That's all folks
Gracias
Thank you
Tlazuhkamatimiyak (Thanks in Maya)
“La Física experimental te necesita”