TEMA 13 - Página Personal de Jose Luis Mesa Rueda

Materiales Ópticos
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TEMA 13
MATERIALES ÓPTICOS
El espectro electromagnético. Interacciones de la luz con los sólidos: refracción,
reflexión, absorción y transmisión. Propiedades ópticas de los diferentes materiales.
Fenómenos de emisión: Luminiscencia, fosforescencia y láseres. Transmisión de
información: fibra óptica. Óptica no lineal.
Las propiedades ópticas de los materiales son de gran importancia en muchas de las
tecnologías modernas: laceres para medicina, fibra óptica para sistemas de
comunicación. Celdas solares, etc. Cuando la luz interacciona con los materiales,
pueden producirse diferentes respuestas, absorción, transmisión, reflexión, refracción,
etc., el conjunto de las cuales define las propiedades ópticas de dicho material. Pero no
sólo es importante conocer como responden los diferentes materiales a la luz que
reciben, sino también que tipo de emisiones luminosas son capaces de producir y bajo
que circunstancias.
El espectro electromagnético
La luz visible, al igual que los rayos X o las ondas de radio, es una forma de radiación
electromagnética, esto es una onda con un campo eléctrico y otro magnético,
perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Las
diferencias entre las diferentes formas de radiación estriban en su origen y en su
intervalo de energía. Así, el espectro electromagnético abarca desde las radiaciones γ de
alta energía, originadas por materiales radiactivos, hasta las ondas de radio de muy baja
energía.
La relación existente entre la energía y la frecuencia, o longitud de onda, de cada
radiación viene determinada por la ecuación:
E= hν = h(c/λ)
siendo h la constante de Planck (6.623x1034 Js) y c la velocidad de la luz en el vacío
(3x108 ms-1). Ecuación que permite tratar el fotón bien como una partícula de enrgia E o
bien como una onda de longitud λ, y que permite interpretar cada fenómeno desde el
enfoque más conveniente.
La tierra está sometida a una irradiación de fotones producidos por el sol, pero también
pueden producirse fotones de diferentes energías a partir de muchos materiales. La luz
visible constituye una parte muy pequeña del espectro electromagnético, concretamente
la que abarca longitudes de onda comprendidas entre los 0.4 y 0.7 μm, frente a las
longitudes kilométricas de las ondas de radio y los 10-14 m. de los rayos γ. El color
percibido depende de la longitud de onda de la radiación, en tanto que la luz blanca
habitual es simplemente la mezcla de todos los colores.
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Figura 1.- Espectro de la radiación electromagnética.
Interacción de la luz con los sólidos: Refracción y reflexión
Cuando la luz atraviesa un material pueden producirse varios fenómenos.
Habitualmente parte de esa luz es trasmitida, parte es absorbida y parte es reflejada (I0=
IT + IA + IR), de manera que un material puede caracterizarse por su transmitancia
(IT/I0), absorbancia (IA/I0) y reflectancia (IR/I0). Así, los materiales transparentes son
aquellos que tienen una elevada trasnmitancia, de manera que se puede ver a través de
ellos. Los materiales translúcidos dejan pasar sólo parcialmente la luz (y además ésta
se dispersa mucho en su interior) y los materiales opacos son impermeables a la
transmisión de la luz visible.
Figura 2.- Interacción de los fotones con un material.
La predominancia de un tipo u otro de efecto va a depender de las interacciones que se
produzcan entre la radiación incidente y los electrones y átomos o iones que conformen
el material. Si la luz incidente tiene la energía adecuada, ésta podrá ser absorbida por un
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electrón para pasar a un estado energético superior (excitado). A su vez, el electrón
excitado volverá a su estado fundamental emitiendo nuevamente radiaciones
electromagnéticas. Se cumplirá el principio de la conservación de la energía, pero no
necesariamente la frecuencia de la radiación absorbida, y desde luego casi nunca la
dirección, coincidirá con la de la emitida, porque habitualmente la desexcitación se
produce a través de diferentes caminos.
Figura 3.- Absorción de un fotón por excitación de un electrón.
Incluso si no se llega a producir la absorción del fotón, y éste es transmitido, sus
campos eléctrico y magnético van a causar siempre una polarización en la nube
electrónica que rodea a los átomos. A consecuencia de la interacción con esta
polarización, que puede darse tanto a nivel electrónico como magnético, la luz pierde
parte de su energía, disminuye su velocidad, y modifica su dirección de propagación.
Este fenómeno se conoce como refracción. Así los diferentes materiales se caracterizan
por un determinado índice de refracción que nos informa sobre la relación entre la
velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en ese medio:
n= c/v
Dado que la desviación que sufre el rayo es proporcional a su disminución de velocidad,
el índice de refracción también puede determinarse a partir de la relación existente entre
el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción:
n= c/v= senα/senβ
Evidentemente, si el ángulo de refracción es mayor de 90°, no debemos hablar de
refracción sino de reflexión. Es obvio que la magnitud de la refracción no solo depende
de las características del medio sino también de la longitud de onda de la radiación
incidente, como lo demuestra el conocido efecto de la dispersión de la luz blanca es sus
diferentes componentes por un prisma de vidrio. Por otra parte, cuando la luz pasa de un
material a otro, la relación de las velocidades entre un medio y otro es proporcional al
cociente de sus índices de refracción (Ley de Snell):
v1/v2= n1/n2= senα/senβ
Por otra parte, y teniendo en cuenta que la refracción está directamente relacionada con
la facilidad con que el material es polarizado, es evidente que existirá una relación entre
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el índice de refracción de un material y su constante dieléctrica. Concretamente, para
materiales no magnéticos, se cumplirá que:
n= /k(1/2)
expresión que permite determinar la constante dieléctrica de un material a partir de la
medida de su índice de refracción. Además, hay que tener en cuenta que la polarización
electrónica dependerá del tamaño de los átomos e iones, aumentando con éste y por
tanto aumentando también el índice de refracción. Así, los índices de refracción medios
de los vidrios de silicio comunes oscilan entre 1.5 y 1.7, pero si se les añaden iones
pesados (PbO-n=2.61) pueden alcanzarse de hasta 2.1, de utilidad decorativa al
producirse centelleos por refracciones internas múltiples, de manera similar a lo que
ocurre en los diamantes utilizados en joyería. Los plásticos ópticos presentan valores de
n en torno a 1.3-1.6. Además, es preciso considerar que mientras los cristales cúbicos,
los vidrios y los plásticos son isotrópicos, en cristales de menor simetría los valores de
los índices de refracción son fuertemente anisotrópicos.
Cuando la luz pasa de un medio a otro con diferente índice de refracción, parte de la
misma se difunde en la internar de los dos medios. Si la luz incide perpendicularmente
sobre la internar, la reflectancia R, esto es la proporción entre la intensidad reflejad y la
incidente, viene determinada por la expresión:
R=[(n2 – n1)/(n2 + n1)](1/2)
Si la luz incide desde el vacío, basta con hacer n1= 1 en la expresión anterior para
calcular la reflectancia. Por tanto, cuanto mayor es el índice de refracción de un material
mayor es también su reflectancia. Como además, el índice de refracción disminuye al
aumentar la longitud de onda de la radiación incidente (a menor energía menor
polarización), la reflectancia también disminuye al aumentar la longitud de onda. La
reflectancia de los vidrios es del orden de 0.05, en tanto que la de los metales puede
llegar a ser de 0.95, razón de su carácter opaco. Finalmente, es preciso tener en cuenta
que se producirá reflexión en las dos intercaras del material, la de entrada y la de salida.
Interacción de la luz con los sólidos: Absorción
Todos los materiales absorben la luz en mayor o menor medida. Esta absorción
dependerá tanto de la manera en como interaccionen los fotones con la estructura del
material como del espesor que deba atravesar la luz. La intensidad del rayo transmitido
después de atravesar el material viene determinada por la expresión:
I= I0 exp(μx)
siendo x la distancia recorrida a través del material y μ el coeficiente de absorción
lineal del medio atravesado. μ es un parámetro que depende de las características del
material, pero también de la longitud de onda de la radiación incidente.
La absorción se produce por diferentes mecanismos. El más sencillo de estos es la
absorción por polarización electrónica, que ya hemos visto y que habitualmente no es
muy importante, salvo que la frecuencia de la radiación incidente sea muy próxima a la
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frecuencia de relajación de los átomos. Los demás mecanismos son más complejos y
para su interpretación es conveniente recurrir a la teoría de bandas. La absorción puede
ser consecuencia de una excitación electrónica directa desde la banda de valencia hasta
la banda de conducción, o puede producirse a través de niveles energéticos intermedios
ocasionados por la presencia de impurezas o defectos.
Figura 4.- Mecanismos de absorción de un fotón por excitación electrónica.
En el primer caso, la energía del gap determina si podrá producirse o no absorción para
una determinada frecuencia de radiación. Así, con luz visible (0. 4μm mínima) es
imposible que se produzcan absorciones en materiales con separaciones entre bandas de
más de 3.1 eV, en tanto que si el gap es de menos de 1.8 eV se absorberá toda la luz
visible y el material será opaco. Para materiales con energías intermedias se producirán
absorciones parciales y los compuestos serán coloreados. No obstante hay que tener en
cuenta que la presencia de impurezas o defectos genera nuevos estados energéticos que
pueden dar lugar a absorciones para determinadas longitudes de onda. Por otra parte, la
energía absorbida puede se disipada mediante diferentes mecanismos que implican
fotones de diferentes energías y fonones.
Para radiaciones con mayor energía que las de la luz visible, otros mecanismos de
absorción son también posibles. Uno de los más importantes es el llamado efecto
fotoeléctrico, mediante el cual la energía del fotón es consumida para arrancar el
electrón del efecto de su núcleo. El coeficiente de absorción muestra un importante
incremento cuando la energía del fotón es igual a la energía de la unión electrón-núcleo,
para disminuir progresivamente a energías superiores.
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Figura 5.- Variación de μ con la λ de la radiación incidente para varios materiales.
Interacción de la luz con los sólidos: Transmisión
La fracción de luz incidente que no es ni reflejada ni absorbida es transmitida a través
del material. Para calcular la fracción de luz transmitida basta con ir contabilizando cada
una de las pérdidas producidas:
1.- Reflexión en la cara d entrada: IR1= RI0 Æ IT1= (1-R)I0
2.- Absorción en el material: IT2= (1-R)I0exp(-μx)
3.- reflexión en la cara de salida: IT3= (1-R)IT2
IT= I0(1-R)2exp(-μx)
Figura 6.- Fracciones absorbida, reflejada y transmitida.
Por tanto, la fracción de luz incidente que atraviesa un material depende de las pérdidas
por reflexión y absorción. Pero en cualquier caso la suma de los tres fenómenos será
siempre la unidad. Además la importancia relativa de cada fenómeno variará en función
de la longitud de onda de la radiación incidente.
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Figura 7.- Varaiación con λ de las fracciones absorbida, reflejada y transmitida en un vidrio verde.
El color de los materiales resulta de la combinación de las longitudes de onda
transmitidas. Si la absorción es uniforme para todas las longitudes de onda, el material
será incoloro, caso de los vidrios de alta pureza, el diamante o el zafiro (Al2O3 cristalino
de alta pureza), pero si la absorción no es uniforme se producirán diferentes
coloraciones. Así por ejemplo, dopando con Cr2O3 (0.5-2 %) un zafiro, se obtiene un
rubí de color rojo brillante. El cromo introduce nuevos niveles de energía que dan lugar
a fuertes absorciones en la región del azul-violeta y en la del verde-amarillo, como
consecuencia de estas absorciones aparece el color rojo del rubí, resultante de la
combinación de la luz roja transmitida y de las radiaciones emitidas que veremos
posteriormente.
Otro ejemplo bien conocido de absorción y transmisión selectivas lo constituyen los
vidrios coloreados de las gafas de sol. Estos vidrios se oscurecen en presencia de la luz
del sol en tanto que se vuelven transparentes en la oscuridad. La razón de este
comportamiento se encuentra en el dopaje con iones de plata. En presencia de luz muy
brillante los iones Ag+ se reducen a su estado atómico y en estado metálico absorben
muy bien la luz. Por el contrario, cuando la luz disminuye de intensidad, la plata se
oxida a Ag+ y ésta no puede absorber porque su gap de energía es mucho mayor. En
general, el dopaje de los vidrios con cationes metálicos para proporcionar un
determinado color es una práctica muy extendida (Cr3+-verde, Cr2+-azul, Cu2+verde/azul, Co2+-azul/rosa, Mn2+-amarillo, etc.).
Figura 8.- Transmitancia en el zafiro y en el rubí.
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Propiedades ópticas de los diferentes materiales
Excepto para secciones extremadamente delgadas, los metales reflejan y/o absorben
fuertemente la radiación incidente con longitudes de ondas largas, desde las microondas
hasta la mitad de la región ultravioleta. Dado que en estos materiales la banda de
valencia se superpone con la de conducción, la radiación incidente de baja energía es
fácilmente absorbida por los electrones que pasan a ocupar huecos situados sobre el
nivel de Fermi. Por este motivo, toda radiación incidente es absorbida por un espesor
del material inferior a 0.1μm. Por este motivo todos los metales son opacos a las
radiaciones electromagnéticas de baja frecuencia, aunque si son transparentes a las
radiaciones de alta energía como los rayos X o los rayos γ.
En general, la mayor parte de la radiación absorbida se vuelve a emitir desde la
superficie en forma de luz reflejada de la misma longitud de onda. De hecho, la
reflectancia de los metales suele oscilar entre 0.90 y 0.95. La absorción producida
depende de la estructura electrónica de cada metal. Así, el cobre y el oro absorben las
longitudes de onda más cortas (azules y verdes), de manera que en su superficie se
observan los colores amarillos, naranjas o rojos que son reflejados. Por el contrario, el
aluminio o la plata reflejan fuertemente en toda la región del espectro y de ahí su color
blanco plateado.
Los semiconductores por el contrario son generalmente opacos a las radicaciones de
alta y media energía, pero son transparentes a los fotones de baja energía. Además, sus
propiedades ópticas dependen en gran medida de su composición, pues ésta afecta
fuertemente el gap de energía que han de saltar los electrones. Así, en los
semiconductores intrínsecos el gap es habitualmente mayor que en los extrínsecos, por
lo que son generalmente más transparentes que estos últimos. Es de destacar que los dos
semiconductores más comunes, silito y germanio, son totalmente opacos a la luz visible,
pero son transparentes a los rayos infrarrojos.
Figura 9.- relación entre la absorción y el gap de energía.
La irradiación de un semiconductor puede provocar que algunos electrones pasen de la
banda de valencia a la de conducción, dejando tras de sí posiciones vacantes. De esta
manera se producen transportadores de carga adicionales y por tanto un incremento de
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la conductividad, denominado fotoconductividad. Es decir que cuando un
fotoconductor es iluminado su conductividad aumenta. Este fenómeno tiene diversas
aplicaciones, algunas tan conocidas como los “ojos electrónicos” que impiden el cierre
de las puertas de los ascensores o garajes. También se utilizan en los fotómetros, la
intensidad de luz incidente se traduce en una determinada corriente en el sulfuro de
cadmio habitualmente utilizado. Por último, la obtención de energía eléctrica a partir de
la energía solar también se basa precisamente en la fotoconductividad de un
semiconductor de silicio.
La proporción de luz incidente reflejada y/o absorbida en un vidrio es generalmente
muy pequeña. Así para longitudes de onda mayores de 300 nm. Los vidrios comunes
transmiten más del 90 % de la radiación incidente, aunque la absorción aumenta
fuertemente para la luz ultravioleta de lata frecuencia y radiaciones más energéticas.
En cuanto a los plásticos, la mayoría de ellos, como el metacrilato o el poliestireno,
tienen una excelente transparencia. Sin embargo, algunos otros presentan regiones
cristalinas que tienen un mayor índice de refracción que la matriz que las rodea. Si estas
regiones son de mayor tamaño que la longitud de onda de la radiación incidente, las
ondas son dispersadas por refracción y dispersión y el vidrio pierde transparencia. Así
dependiendo de su grado de cristalinidad y contendido de impurezas los plásticos
pueden variar desde opacos hasta transparentes. Así, las láminas de polietileno, con
cadenas ramificadas y menor cristalinidad, son mucho más transparentes que las
láminas formadas por cadena lineales que son más cristalinas y densas.
Figura 10.- Reflexiones internas en un polímero parcialmente cristalino.
En general cualquier material intrínsecamente transparente puede convertirse en
translúcido, o incluso en opaco si la dispersión interna es tan grande que ningún rayo
incidente se transmite hasta la superficie opuesta. La dispersión interna puede tener
diferentes orígenes. Así, los materiales policristalinos anisotrópicos suelen ser
translúcidos, por las reflexiones y refracciones que se producen en los límites de grano.
De igual manera, los sistemas bifásico en los que las partículas de un material aparecen
finamente dispersas en una matriz de otro material son generalmente opacos, debido a la
diferencia entre los índices de refracción de ambos medios y a la reflexión que origina.
Finalmente, en los materiales cerámicos la presencia de poros dificulta aún más la
transmisión de la luz. Así, mientras que la alúmina monocristalina es transparente, la
alúmina policristalina densa es translúcida y la policristalina porosa es opaca.
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Fenómenos de emisión: Luminiscencia
Los materiales no sólo interaccionan con la luz, sino que ellos mismos pueden ser el
origen de las radiaciones. Además de los rayos X y rayos γ, que son radiaciones de alta
frecuencia, muchas sustancias también son capaces de emitir radiaciones en el rango del
visible, a este proceso se le denomina luminiscencia. Ésta se produce cuando el
material absorbe energía, produciéndose excitaciones de los electrones desde la banda
de valencia a la de conducción. La energía absorbida puede provenir de radiaciones de
alta frecuencia (luz ultravioleta), electrones acelerados, calor o energía química. Para
que la energía emitida se produzca en forma de radiaciones en el visible, es preciso que
el sistema tenga estados energéticos con separaciones de entre 1.8 y 3.1 eV.
Dependiendo del tiempo que dura la emisión se distinguen dos tipos de luminiscencia.
Si la emisión se produce en un tiempo inferior a 10-8 s. después de producida la
absorción se denomina fluorescencia, si el tiempo de emisión se superior se habla de
fosforescencia.
Los metales no presentan este fenómeno porque disponen de un continuo de niveles de
energía para desexcitarse, de manera que los fotones emitidos tienen muy poca energía
y no pertenecen al rango del visible. En muchos materiales semiconductores y
cerámicos el gap de energía es adecuado para que se produzca la fluorescencia, todos
los electrones vuelven al estado inicial una fracción de segundo después de producida la
absorción, de manera que cuando cesa el estímulo cesa también la emisión de forma
prácticamente simultánea. Los materiales con impurezas que introducen niveles donores
en el gap de energía son por el contrario los que habitualmente producen fosforescencia.
Los electrones excitados caen en primer lugar hasta el estado donor donde son
temporalmente atrapados. A continuación irán volviendo gradualmente a la banda de
valencia. De esta manera, aún después de cesar el estímulo, se emite luz durante un
periodo de tiempo relativamente largo.
Figura 11.- Fenómeno de luminiscencia.
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La intensidad de la luminiscencia va disminuyendo con el tiempo de acuerdo a la
expresión:
Ln(I/I0)= -t/τ
siendo τ el tiempo de relajación, una constante característica de cada material. El valor
de este parámetro es fundamental para determinar las posibles aplicaciones de los
materiales ópticos. Así por ejemplo, las pantallas de televisión tradicionales se basan en
la utilización de materiales fosforescentes cuyo tiempo de relajación no puede ser ni
demasiado corte ni demasiado largo, para que las imágenes permanezcan el tiempo
necesario pero no se superpongan.
La luminiscencia tiene muchas aplicaciones, que a nivel industrial suelen clasificarse en
función de la fuente de energía empleada para la excitación electrónica. Así, los dos
tipos más importantes son la fotoluminiscencia y la electroluminiscencia, esta última
también llamada catodoluminiscencia.
La fotoluminiscencia es la empleada en las lámparas fluorescentes comunes. En las
lámparas se produce utilizando como estímulo la luz ultravioleta que genera un arco de
mercurio a baja presión en un gas inerte. La luz ultravioleta de alta energía, procedente
de los átomos de mercurio excitados, da lugar a luz visible al incidir sobre la pared
interna del tubo recubierta con el luminóforo. Los luminóforos son generalmente
halofosfatos de calcio, compuestos de fórmula general Ca10F2P6O24 con
aproximadamente un 20 % de los iones fluoruro sustituidos por iones cloruro. También
pueden introducirse iones Sb3+ para obtener luces azuladas o iones Mn2+ para luces
rojo-anaranjadas. Variando la composición se pueden obtener diferentes tonalidades en
la luz: blanca, naranja, azul, amarilla, etc.
Figura 12.- Lámpara fluorescente.
En la electroluminiscencia, el estímulo es proporcionado por un voltaje externo que
genera un haz de electrones de alta energía que saliendo del cátodo va a impactar sobre
los luminóforos. Son muchas las aplicaciones de esta técnica: microscopios
electrónicos, osciloscopios, pantallas de televisión en color, displays LED, etc. Los
LED (Light-emitting diodos) son utilizados en pantallas de numerosos dispositivos
electrónicos, calculadoras, relojes, etc. Son uniones p-n construidas de manera que el
gap de energía se encuentre en la región del visible (a menudo en rojo). Al aplicar un
voltaje al diodo se produce la recombinación de huecos y electrones y el dispositivo
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emite fotones para eliminar el exceso de energía. Los materiales habitualmente
empleados en estos dispositivos son GaAs, GaP, GaAlAs y GaAsP.
El funcionamiento de las pantallas de televisión en color es muy interesante. En la
superficie interna del tubo de la televisión se hallan depositados luminóforos emisores
en verde, rojo y azul en forma de rayas verticales muy estrechas (< 0.25 mm. de
anchura). Utilizando una lámina de acero oscura, con estrechas rendijas alargadas (de
0.15 mm. de ancho) la señal de televisión recibida barre la pantalla entera 30 veces por
segundo en 15750 líneas horizontales, originando una buena resolución gracias a la
persistencia de la visión en el ojo humano. Los luminóforos empleados para los colores
peden variar de unos modelos a otros, algunos de los más utilizados son el ZnS/Ag+/Clpar el azul, el (ZnCd)S/Cu2+/Al3+ para el verde y el Y2O2S(Eu-3%) para el rojo.
Figura 13.- Pantalla de televisión.
Amplificación de luminiscencia: LASER
La luz emitida por una fuente convencional se produce de forma aleatoria e
independiente en cada átomo emisor. Por este motivo las radiaciones producidas son
incoherentes, esto es se encuentran desfasadas entre sí. Por el contrario, los láseres
producen radiaciones coherentes, además de paralelas, direccionales y cuasimonocromáticas, emisiones que son iniciadas por un estímulo externo y de ahí el
nombre de Láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),
amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Se trata en resumen de que
unos fotones “activos” estimulen la emisión de otros muchos de igual frecuencia y
coherentes en fase.
Existen muchos tipos de láseres, tanto en gas como en líquido o sólido, empleándose en
la actualidad. Para describir su funcionamiento nos centraremos en los láseres
tradicionales de rubí, que en realidad, dada la dificultad de su elaboración, ya no se
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utilizan mucho en la actualida. El láser de rubí tiene como elemento fundamental un
monocristal de Al2O3 (zafiro) que contiene aproximadamente un 0.05 % de iones Cr3+.
Estos iones aportan el característico color rojo y también los estados electrónicos
esenciales para la función láser. El monocristal tiene la forma de barra, con los extremos
planos, paralelos y perfectamente pulidos. Ambos extremos se recubren con plata, pero
con diferente espesor, de manera que uno sea perfectamente reflectante y el otro
parcialmente transparente.
Figura 14.- Esquema de un láser de rubí.
La activación es proporcionada por una lámpara de xenón (0.56 μm), que proporciona
energía suficiente para que los electrones de los iones Cr3+ pasen a un estado excitado.
Estos electrones pueden volver al estado fundamental por dos caminos diferentes. Si
caen directamente dan lugar a emisiones comunes de fotones. Pero también pueden caer
a través de un estado de energía metaestable, en el que permanecen unos 3 ms antes de
dar lugar a una nueva emisión espontánea. Ese tiempo es los suficientemente largo
como para que el número de estados metaestables ocupado sea muy alto.
Figura 15.- Diagrama de niveles de energía para un láser de rubí.
La emisión espontánea de fotones por parte de unos pocos de estos electrones que se
encuentran en el estado metaestable origina una reacción en cadena, de manera que se
genera una avalancha estimulada de emisiones. Los fotones que no se emiten en
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dirección axial se pierden, pero los emitidos en la dirección del eje se desplazan por el
cristal dando lugar a nuevas emisiones. Este proceso da lugar a la formación de gran
número de fotones moviéndose en fase a través del cristal. Cuando llegan a los espejos
terminales se reflejan y hacen el mismo camino en sentido inverso provocando nuevas
avalanchas e incrementándose progresivamente la intensidad del rayo. Finalmente,
cuando la intensidad de éste es lo suficientemente alta es capaz de atravesar el espejo
parcialmente transmisor y sale al exterior en forma de pulso de alta energía (de duración
aproximada de unos 6 ms). El rayo producido es de alta intensidad, coherente y
altamente colimado, su color es rojo intenso (0.6943 mm). Estos láseres que funcionan a
ráfagas se denominan pulsados, aunque en la actualidad la mayoría de los láseres
funcionan en onda continua.
Figura 16.- Amplificación de luz por un láser de rubí.
La dificultad de fabricar barras de rubí monocromáticas ha hecho que estos láseres se
vayan sustituyendo por otros de más fácil elaboración. Es el caso de los láseres de
neodimio–YAG. Estos láseres se construyen dopando con neodimio una base de cristal
de YAG (granate de ytrio y aluminio). Este láser emite en el infrarrojo (1.06 μm), con
una potencia continua de unos 250 W y pulsos de varios megavatios. La gran
conductividad térmica de la base de granate (ortosilicato de calcio y aluminio) aporta la
ventaja de que disipa fácilmente el exceso de calor. Este tipo de láseres son actualmente
los más empleados a nivel industrial, utilizándose en herramientas de corte, perforación
y soldadura.
Aplicaciones similares tienen los láseres de CO2, aunque su potencia continua es menor
(5 mW) permiten alcanzar pulsos de más de 10000 J. Funcionan por colisiones
electrónicas que excitan a moléculas de nitrógeno a niveles metaestables de energía y
éstas posteriormente excitan moléculas de CO2 que al decaer emiten radiación láser. Se
utilizan especialmente para tratamientos térmicos localizados en aceros.
Finalmente, materiales semiconductores como el GaAS también son utilizados para al
fabricación de láseres muy pequeños (menores que un grano de sal) que se emplean en
la grabación de discos compactos y en la industria de telecomunicaciones.
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Figura 17.- Sección de un láser de semiconductores.
El requisito básico que deben cumplir los materiales empleados es que su gap de energía
se encuentre dentro del rango del visible. Al aplicar un voltaje al material algunos de los
electrones de la banda de valencia pasan a la de conducción. Algunos electrones y
huecos se recombinan espontáneamente y al hacerlo emiten un fotón que a su vez
estimula nuevas recombinaciones y la generación de nuevos fotones en fase con el
original. Como en el caso de los láseres de rubí uno de los extremos es totalmente
reflectantes y el otro parcialmente transmisor, por el que escapa parte del haz láser.
Además, siempre y cuando se mantenga un voltaje aplicado constante se tendrá una
fuente constante de huecos y electrones por lo que el láser opera en onda continua. Los
láseres utilizados están formados por varias capas de materiales semiconductores con
diferentes gap de energía, colocadas entre dos láminas de un material conductor y con
un disipador de calor. La composición de las capas se elige de manera que la
acumulación de huecos y electrones excitados, y por tanto de fotones, se produzca sobre
una lámina central de GaAs.
Transmisión de información: Fibra óptica
Los modernos sistemas de comunicaciones se basan en la transmisión de información
mediante sistemas fotónico. Estos sistemas constan de tres partes fundamentales: un
generador que emita la señal luminosa a partir de cualquier otra fuente (generalmente
eléctrica), un sistema de transmisión (la fibra óptica) y un sistema de recepción y
conversión de las señales luminosa en eléctricas.
Figura 18.- Componentes de un sistema de transmisión de información.
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El generador ideal es un láser porque así las señales luminosas generadas serán
coherentes y monocromáticas. Los láseres de semiconductores como el GaAS, GaAlAs
y InGaAsP son los más utilizados por emitir en el visible y porque su potencia puede
modularse de acuerdo al voltaje aplicado, lo que es utilizado para transmitir
información.
El receptor puede ser un simple LED o más comúnmente un diodo semiconductor
convencional que convierte la luz recibida en una corriente eléctrica de intensidad
variable y proporcional a la intensidad de la luz recibida. De esta manera la señal
luminosa es convertida en una señal eléctrica que puede ser fácilmente amplificada y
traducida.
Las guías de ondas por las que se transmiten los fotones están formadas por fibra
óptica, que trasmite la luz desde el generador hasta el receptor. Para que la información
pueda ser transmitida a largas distancias la fibra ha de ser extraordinariamente
transparente y estar diseñada para evitar cualquier tipo de pérdida de luz. Hay que tener
en cuenta que en la actualidad las fibras empleadas permiten transmitir la información a
más de 40 km de distancia antes de que sea necesario procesar y reenviar la señal. Para
conseguir que las pérdidas por absorción sean extremadamente bajas es preciso qu el
vidrio de sílice empleado sea extremadamente puro, y especialmente que está libre de
iones Fe3+. Además, para conseguir que la luz permanezca atrapada dentro de la fibra
(cuyo espesor es el de un cabello muy fino, hasta 125 μm de diámetro), es preciso que
el índice de refracción de su parte externa sea menor que el del interior, de manera que
se favorezca al máximo la reflexión hacia el interior. Esto puede conseguirse bien
recubriendo la fibra con un material de mayor índice de refracción o bien dopando su
superficie con B2O3 o GeO2 para que aumente su índice de refracción. Este último
procedimiento da lugar a cambios de dirección de la luz más suaves y tiene la ventaja de
reducir el camino que tiene que seguir la luz (siempre mayor que la longitud de la fibra).
Figura 19.- Diferentes métodos para evitar pérdidas en una fibra óptica.
No obstante la señal recibida de esta manera (llamada multimodo) es más dispersa por
lo que para señales a larga distancia suele emplearse el llamado tipo monomodo, en el
cual se utiliza una fibra muy fina (8 μm) rodeada de una capa mucho mayor de vidrio
con mayor índice de refracción. De esta manera, se consigue que la luz tenga un solo
posible camino de propagación, la señal recibida es menos difusa y además las fibras
son más baratas y fáciles de preparar.
Materiales Ópticos
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Figura 20.- Comparación en fibras monomodo y multimodo.
La preparación de la fibra óptica se lleva a cabo habitualmente mediante una
modificación del método de deposición de vapor química (MCVD). Los productos de
partida son vapor seco de SiCl4 y oxígeno puro, a los que pueden añadirse diferentes
contenidos de vapor de GeCl4 e hidrocarburos fluorados. Los reactivos pasan a través de
un tubo rotatorio de sílice pura calentado en su exterior por una llama de oxígenohidrógeno que se mueve a lo largo del tubo. De esta manera los productos de partida
reaccionan para formar partículas de vidrio de sílice con la composición en Ge y/o F
deseada (el GeO2 aumenta el índice de refracción de la sílice y el F lo baja). Las
partículas formadas migran hasta la pared del tubo donde se depositan, el siguiente paso
del soplete por su posición las sinteriza y da lugar a una delgada capa del vidrio final. El
espesor de esta capa depende del número de pasadas con el soplete que se hayan
realizado. Además en cada pase se puede ajustar la composición de los gases de entrada
para que la fibra de vidrio preparada tenga el perfil de índice de refracción deseado.
Figura 21.- Proceso modificado de deposición de vapor químico.
Finalmente, el tubo de sílice es calentado hasta que los vidrios se aproximan a su
temperatura de ablandamiento. En ese momento, y debido a la tensión superficial del
vidrio, las capas depositadas colapsan uniformemente originando una varilla sólida
llamada preforma. La preforma se introduce a continuación en un horno de alta
temperatura para hilar a partir de ella una fibra de aproximadamente 125 mm de
Materiales Ópticos
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diámetro. En un proceso continuo se le aplica posteriormente una capa de un material
polimérico de unos 60 mm de diámetro que protegerá a la fibra de vidrio de daños
superficiales y le proporcionará una mayor flexibilidad. Hay que tener en cuenta que
para que la fibra pueda ser empalmada sin pérdidas importantes de luz es preciso que
tanto el núcleo como la capa externa de la fibra tengan diferencias extraordinariamente
pequeñas en sus dimensiones.
Figura 22.- Esquema de la preparación de una fibra óptica a partir de una preforma.
Óptica No Lineal
La interacción de un rayo de luz con un material puede cambiar algunas propiedades de
éste, de manera que los siguientes fotones que llegan se encuentran con un material
diferente. Hay que tener en cuenta que cuando la luz atraviesa un material su campo
eléctrico interacciona con las cargas presentes en el material. Si como resultado del paso
del primer rayo la distribución de cargas en el material se ve afectada durante un tiempo
apreciable, el paso de los siguientes rayos se efectúa a través de un material que
presenta diferentes propiedades. Por este motivo, la frecuencia, la fase, la polarización e
incluso el camino recorrido por los diferentes rayos pueden verse modificados de
manera sustancial. La capacidad de manipular la luz de esta manera tiene grandes
aplicaciones técnicas en el procesado de señales, fabricación de láseres de potencia
variable, almacenamiento óptico de datos, etc. En realidad todos los materiales exhiben
óptica no lineal en cierta medida, pero para que los sistemas puedan ser útiles en este
sentido es becario que las modificaciones sean importantes. Por este motivo, la
búsqueda de materiales con óptica no lineal es un campo en el que trabajan en la
actualidad muchos químicos tanto orgánicos como inorgánicos. Por este motivo, junto a
materiales tradicionales como el LiNbO3, se preparan continuamente nuevos materiales,
Materiales Ópticos
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generalmente orgánicos y organometálicos (metalícenos, carbonilos, polisilanos, etc)
que presentan propiedades más acusadas.
Desde un punto de vista histórico la generación de armónicos, y en particular, el
doblado de la frecuencia de una radiación coherente, fue el primer efecto óptico no
lineal observado. Esta técnica permite extender el rango de la radiación coherente a
zonas del espectro inaccesible con los láseres actuales. Otro tanto ocurre con procesos
no lineales como la amplificación paramétrica, suma de frecuencias, que permiten
disponer de fuentes sintonizables en un amplio rango espectral. Estas nuevas fuentes
han permitido profundizar de manera determinante en los estudios espectroscópicos.
Otra propiedad frecuentemente utilizada es la biestabilidad óptica, una consecuencia de
la respuesta no lineal que presentan algunos sistemas y se caracteriza por la aparición de
dos estados de transmisión diferentes para una misma intensidad de entrada. El interés
primordial de la biestabilidad o multiestabilidad radica en las posibles aplicaciones en
elementos de conmutación (switching) en computación óptica con funciones análogas a
un transmisor electrónico convencional. Gran parte de la investigación se centra en la
optimización de cavidades con materiales adecuados, desde semiconductores, polímeros
y vidrios dopados con tierras raras, a microemulsiones, cristales líquidos, etc.