DEILAP - CITEDEF
Departamento de Investigaciones en Láseres y sus aplicaciones
HISTORIA
Tec. O. Vilar, Ing. G. Suarez, Ing. J. Otegui, Sr. H. Mancini, Lic. H.Sanchez, Dr. J. T. D’Alessio (1969)
En Junio de 1965, cinco años después que funcionara el primer láser, en el entonces Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas de las Fuerzas Armadas (CITEFA, actualmente CITEDEF) se creó el Grupo Láser a cargo del Dr. Juan T. D’Alessio. La motivación inicial de la creación del grupo fue evaluar los posibles usos militares del láser. Sin embargo, en el transcurso de las tareas acometidas se percataron del inmenso potencial tecnológico del nuevo dispositivo, por lo cual realizaron diseño y construcción de diversos láseres y desarrollaron aplicaciones no sólo en el área militar sino también civil.
En Febrero de 1972 y con 6 miembros entre investigadores y técnicos, el Grupo Láser pasó a estar a cargo del Dr. Eduardo J. Quel quien llevó a cabo una política de incorporación paulatina de personal científico tecnológico y de ampliación de las instalaciones para poder cumplir con los diversos proyectos civiles y militares asumidos.
Integrantes del DEILAP (1978)
Cerca de fines de la década de los 70, y como consecuencia del crecimiento en personal y de la importancia que había cobrado por las tareas realizadas, el Grupo Láser pasó a la categoría de Departamento con el actual nombre de Departamento de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (DEILAP).
En Diciembre de 1980 el DEILAP pasó a formar parte del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) como unidad ejecutora de investigación tomando la denominación que daba cuenta del nuevo rol que iba a desempeñar en el esquema científico argentino: Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (CEILAP).
Posteriormente, desde el año 2011, el DEILAP pasó a integrar una nueva Unidad Ejecutora del CONICET denominada UNIDEF junto con otros departamentos de investigación del Ministerio de Defensa.
Recopilación de tareas realizadas en DEILAP
Diseño y construcción de equipos láser
Debido a la escasa información disponible a fines de la década del 60 sobre el tema y con el objetivo de alcanzar la independencia tecnológica, los físicos, ingenieros y técnicos comenzaron estudiando el funcionamiento de láseres comerciales a la vez que se montó un laboratorio para la fabricación de la óptica de precisión necesaria para esta nueva tecnología.
Mediante el estudio del funcionamiento de un láser de Rubí comercial se ganó experiencia en el uso de lámparas de descarga de media tensión y en el manejo de pulsos láser de relativamente alta energía lo cual sería de fundamental importancia para el posterior desarrollo de diseños de láseres de Nd-YAG utilizados, por ejemplo, en telemetría. Simultáneamente, se desarrolló y construyó un detector de energía para radiación láser pulsada basado en el efecto piroeléctrico, realizado con una cerámica de Titanato de Bario (BaTiO3), cuyos resultados fueron presentados en la Reunión de la Asociación Física Argentina en Julio de 1969.
A principios de 1971 el grupo diseñó y construyó uno de los primeros láseres de dióxido de carbono (CO2) continuo fabricado en el país el cual era excitado por una descarga de corriente alterna. Los conocimientos adquiridos en estas tareas permitieron el posterior desarrollo de éste tipo de láseres para su utilización en bisturíes láser y en sistemas de corte y soldadura.
Pocos meses después, se logró la emisión del primer láser de He-Ne producido en DEILAP. Años más tarde, sobre la base de ese desarrollo se construyeron series de dos modelos de estos láseres, con potencia de emisión de 1 mW y 15 mW respectivamente, bajo pedido de Universidades y diversos Institutos de Investigación.
Láser de Ar continuo
La continuidad de estas actividades de investigación y desarrollo en CITEFA llevó a la Argentina a ser uno de los diez primeros países del mundo en contar con la tecnología para construir láseres basados en gases nobles. Esto permitió la puesta en marcha de un láser de He-Cd y, a fines de los setenta, de un láser de Argón ionizado, en versiones de emisión continua y pulsada con potencias de emisión de algunos vatios en varias longitudes de onda.
Tubo de descarga del láser de Ar pulsado
Descarga de láser TEA
Además, a mediados de la década de los 70, el DEILAP fue pionero en Latinoamérica al diseñar y construir láseres pulsados de CO2 (~100 ns y 1 J) los cuales fueron utilizados para iniciar reacciones químicas y experiencias de separación isotópica en fase gaseosa. Al mismo tiempo, se desarrollaron láseres de Nitrógeno molecular útiles como fuente de luz para detección por fluorescencia de substancias contaminantes orgánicas y para estudios con buena resolución temporal de materiales biológicos debido a que emiten pulsos de radiación ultravioleta con una duración del orden de 10 ns.
Láser de colorante bombeado por láser de Nitrógeno
Láser de colorante bombeado por 2da armónica de láser de Nd-YAG
El equipo de investigación también fue pionero en Latinoamérica en el desarrollo de láseres de colorantes orgánicos cuya característica sobresaliente es la posibilidad de seleccionar en forma continua la longitud de onda de emisión. Por esta característica, los mismos se vislumbraban útiles para la excitación selectiva de átomos ó moléculas. Los primeros prototipos se construyeron a fines de la década de los setenta con diseños propios de la cavidad (con etapa osciladora y amplificadora) utilizando como bombeo los pulsos provenientes del láser de Nitrógeno molecular desarrollado en el DEILAP. Posteriormente, a partir de la década de los ochenta, los láseres de colorantes también fueron bombeados por la segunda o tercera armónica de un láser de Nd:YAG.
En la década de los ochenta, el grupo comenzó a desarrollar láseres de estado sólido destacándose los de Neodimio en vidrio y en cristal (Nd:YAG) bombeado por lámpara flash utilizando la técnica de Q-switch para obtener pulsos cortos. Al igual que los otros desarrollos, dichos láseres fueron los primeros de Argentina y, casi con total seguridad, de Latinoamérica. En esta línea, se implementó un método basado en efecto Kerr para la generación de pulsos ultracortos que permitió al DEILAP convertirse en uno de los pioneros a nivel mundial en el tema.
Aplicaciones de láseres
En simultáneo con las tareas de diseño y construcción de diferentes tipos de láser, se realizaron trabajos orientados a utilizar el láser en distintas áreas de investigación e innovación tecnológica.
La primera experiencia de uso del láser realizada a fines de la década del 60 consistió en transmitir, punto a punto, señal de audio y video a distancias de aproximadamente 3 km modulando con un cristal electro-óptico la intensidad emitida por un láser de He-Ne. También se comenzó con el desarrollo de un telémetro láser basado en los desarrollos propios de un láser de Nd:YAG bombeado por lámpara flash de pulsos cortos así como del detector para dicha aplicación. Debe observarse que un telémetro láser requiere de un láser pulsado robusto, compacto, con una emisión de alta potencia (para divisar blancos a mayor distancia), baja divergencia y pulsos cortos (10 ns equivalente a una resolución de 3 m). Con financiación de las Fuerzas Armadas entre 1974 y 1988 se construyeron cuatro prototipos de telémetros láser capaces de detectar blancos a 10 Km de distancia.
La experiencia adquirida durante el desarrollo de los láseres pulsados de CO2 posibilitó la construcción de un modelo adecuado (emisión en el rango de 10 μm) para excitar y disociar el 32SF6 en forma selectiva. Gracias a ello, en 1976 el equipo de investigación fue el primero de Latinoamérica en lograr la separación isotópica por láser. Posteriormente, en la década de los 80, estos conocimientos permitieron a los investigadores realizar estudios de factibilidad de separación isotópica de Uranio y de Deuterio por láser para la producción del combustible y del agua pesada necesaria para las centrales nucleares de Atucha y Embalse.
Asimismo, la experiencia en láseres continuos de CO2 facilitó en la década de los 80 diseñar y construir un bisturí láser que se instaló en el Servicio Dermatológico del Hospital Argerich. Cabe destacarse que a mediados de los ochenta no existía la fibra óptica y, por lo tanto, se tuvo que sortear los problemas de diseño de un brazo articulado que permitiera los movimientos en cualquier dirección realizados por un cirujano. Con los datos recabados a lo largo del funcionamiento del primer prototipo, en 1987 el grupo del DEILAP diseñó un segundo modelo mejorado que también se entregó al Servicio Dermatológico del Hospital Argerich. También se diseñó y construyó un láser de corte de 230 W para uso industrial presentado en la feria de productos industriales de San Pablo, Brasil. Tanto la tecnología del bisturí laser como la de corte fueron transferidas por convenio a la empresa Ray-Cord. Dicho convenio además incluía la capacitación de ingenieros y técnicos de la empresa.
Kit educativo
A fines de los 90, un grupo del DEILAP se abocó en el desarrollo de un giróscopo de fibra óptica, logrando dominar la técnica en dos años y obteniendo un prototipo de laboratorio que cumplía satisfactoriamente con los requerimientos de precisión necesario para la utilización en los satélites que construiría CONEA-INVAP.
También para esa época se desarrolló en DEILAP el "Kit educativo", un sistema de láser sólido bombeado por diodos para el uso en instituciones educativas de nivel superior. El diseño fue transferido a la industria local y las unidades producidas fueron vendidas tanto a universidades de nuestro país, como de México y Suiza.
Otras actividades realizadas en DEILAP estuvieron fundamentalmente ligadas a ofrecer información que pudiera ser de ayuda en estudios de química atmosférica. En 1985 se iniciaron estudios de reacciones de moléculas de interés atmosférico iniciadas por láser y a partir de principios de los 90, gracias a un subsidio entre CONICET y el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Francia, se encaró el tema con mayor intensidad. Utilizando láseres de CO2 de alta y baja energía se estudió la absorción del ozono y sus reacciones con diferentes tipos de gases y compuestos clorofluorocarbonados.
Primer LIDAR de retrodifusión
Como continuación de esta línea de trabajo, en 1992 a partir de la obtención de un subsidio PID-BID administrado por el CONICET, el DEILAP encaró un proyecto destinado a utilizar los láseres como herramientas de estudio del medio ambiente. En este marco, dos años más tarde, se logró el funcionamiento del primer LIDAR (Light Detection and Ranging ) de retrodifusión, se pusieron a punto técnicas fototérmicas para la detección de contaminantes atmosféricos y se emprendieron los estudios de reacciones químicas iniciadas por láser para clarificar algunos mecanismos de la destrucción del Ozono por moléculas emitidas a la atmósfera por la actividad humana en particular el Freón.
Estación de sensado atmosférico con LIDAR (Buenos Aires)
Posteriormente, con la colaboración de prestigiosos especialistas en química atmosférica y ozono pertenecientes a las instituciones Francesas École Polytechnique, Service d'Aéronomie y Université Paris XIII logró poner en funcionamiento en 1998 un sistema DIAL (Differential Absorption Lidar) con el cual se midió por primera vez el perfil de concentración de ozono sobre el cielo del gran Buenos Aires. Debido a que la Patagonia es una de las regiones del mundo más afectada por el problema de la destrucción de la capa de ozono y gracias al financiamiento otorgado por la institución científica japonesa JICA (Japan International Cooperation Agency) este instrumento fue modificado para su uso en esa región y trasladado a un laboratorio instalado en la Base Aérea Militar de Río Gallegos.
Estación de sensado atmosférico con LIDAR (Río Gallegos)
El laboratorio, inaugurado en el 2005 en Río Gallegos, realizó exitosamente las primeras mediciones sistemáticas del perfil de ozono en la zona (Campaña SOLAR). Esta estación de monitoreo atmosférico continúa actualmente operativa disponiendo además de un LIDAR de retrodifusión para detectar aerosoles y varios sensores UV para medir la radiación solar ultravioleta.
En el 2008 en DEILAP se diseñó y construyó una fuente pulsada de pares de fotones en estados entrelazados en polarización generados por fluorescencia paramétrica (spontaneous parametric down-conversion). Dicha fuente, de pulsos con duración de nanosegundos y separación entre ellos grande y ajustable, fue la primera en ámbito internacional con esas características. La utilización de esta fuente con la adquisición de datos resuelta en el tiempo, permitió realizar trabajos pioneros en la observación y análisis de la variación temporal del entrelazamiento de un estado de Bell. Gracias a esto, en el DEILAP se logró la primera verificación experimental en nuestro país de la violación de las desigualdades de Bell. Los trabajos realizados en esta línea obtuvieron el Premio J.J. Giambiagi 2014 a la mejor Tesis de Doctorado en Física Experimental otorgada por la Asociación Física Argentina en el bienio 2012-2013 y dieron origen a numerosas publicaciones nacionales e internacionales hasta la fecha.
Otra línea de trabajo, basada en técnicas que aprovechan las peculiares características de los fotones, dio origen a un prototipo de generador de números aleatorios el cual ganó el segundo premio en el concurso INNOVAR 2008 en la categoría Investigación Aplicada. Desde ese momento en el DEILAP se continúa trabajando en el desarrollo de sistemas criptográficos basado en la Mecánica Cuántica para la aplicación en la tecnología de seguridad de la información con el objetivo de obtener protocolos simples, que permitan una implementación rápida y robusta frente a ruido. Los resultados de esta línea de trabajo dio lugar a numerosas publicaciones nacionales e internacionales hasta la actualidad.
Otros desarrollos:
Otra actividad realizada en DEILAP relacionada con el control del medio ambiente fue la espectroscopía fototérmica, en sus dos versiones: fotorefractíva y fotoacústica, dado que es una técnica muy sensible y permite la detección de pequeñas concentraciones de moléculas de contaminantes atmosféricos producidas principalmente por las usinas termoeléctricas y los autos . En particular con la técnica fotorefractíva se logró detección de trazas de SO2 del orden de 50 ppbV y con la técnica fotoacústica se logró un límite de detección de trazas de NO2 de 10 ppbV. Como resultado de estas experiencias, los investigadores del DEILAP junto con los del Laboratorio de Láser de la Facultad de Ingeniería de la UBA diseñaron un instrumento para medir la contaminación por NO2 que obtuvo en 2008 el primer premio en la categoría Investigación Aplicada del concurso INNOVAR del Ministerio de Ciencias, Tecnología e Innovación Productiva.
Solmáforo
En el contexto de la campaña SOLAR y como aporte directo a la sociedad, los investigadores del DEILAP diseñaron un sistema de alerta de índice de radiación UV y campañas de concientización referidas al peligro de exposición prolongada en el sur de la Argentina. Este sistema, conocido como Solmáforo, ganó la sexta edición del concurso INNOVAR 2010 del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva, en la categoría Tecnologías para el desarrollo Social.
Medidor de campo eléctrico atmosférico.
A fines del año 2009, conjuntamente con el Grupo de Física de la Atmósfera de la FaMAF de la Universidad Nacional de Córdoba, se inició una línea de trabajo con el objetivo de medir la actividad eléctrica atmosférica la cual dio origen a numerosas publicaciones como, por ejemplo, el primer trabajo en Sudamérica sobre las descargas generadas por la actividad volcánica, el primer estudio sobre muertes por rayos en el país, la preparación de los mapas isoceráunicos a nivel nacional y el estudio sobre actividad eléctrica en la Patagonia.