Materiales Ópticos 1 TEMA 13 MATERIALES ÓPTICOS

Transcripción

1 Materiales Ópticos 1 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 (6.623x10 34 Js) y c la velocidad de la luz en el vacío (3x10 8 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 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.

2 Materiales Ópticos 2 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 (I 0 = I T + I A + I R ), de manera que un material puede caracterizarse por su transmitancia (I T /I 0 ), absorbancia (I A /I 0 ) y reflectancia (I R /I 0 ). 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

3 Materiales Ópticos 3 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): v 1 /v 2 = n 1 /n 2 = 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

4 Materiales Ópticos 4 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 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=[(n 2 n 1 )/(n 2 + n 1 )] (1/2) Si la luz incide desde el vacío, basta con hacer n 1 = 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= I 0 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

5 Materiales Ópticos 5 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.

6 Materiales Ópticos 6 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: I R1 = RI 0 I T1 = (1-R)I Absorción en el material: I T2 = (1-R)I 0 exp(-μx) 3.- reflexión en la cara de salida: I T3 = (1-R)I T2 I T = I 0 (1-R) 2 exp(-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.

7 Materiales Ópticos 7 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 (Al 2 O 3 cristalino de alta pureza), pero si la absorción no es uniforme se producirán diferentes coloraciones. Así por ejemplo, dopando con Cr 2 O 3 (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 (Cr 3+ -verde, Cr 2+ -azul, Cu 2+ - verde/azul, Co 2+ -azul/rosa, Mn 2+ -amarillo, etc.). Figura 8.- Transmitancia en el zafiro y en el rubí.

8 Materiales Ópticos 8 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 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

9 Materiales Ópticos 9 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.

10 Materiales Ópticos 10 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.

11 Materiales Ópticos 11 La intensidad de la luminiscencia va disminuyendo con el tiempo de acuerdo a la expresión: Ln(I/I 0 )= -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 Ca 10 F 2 P 6 O 24 con aproximadamente un 20 % de los iones fluoruro sustituidos por iones cloruro. También pueden introducirse iones Sb 3+ para obtener luces azuladas o iones Mn 2+ 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

12 Materiales Ópticos 12 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 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 + /Cl - par el azul, el (ZnCd)S/Cu 2+ /Al 3+ para el verde y el Y 2 O 2 S(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

13 Materiales Ópticos 13 utilizan mucho en la actualida. El láser de rubí tiene como elemento fundamental un monocristal de Al 2 O 3 (zafiro) que contiene aproximadamente un 0.05 % de iones Cr 3+. 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 Cr 3+ 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

14 Materiales Ópticos 14 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 ( 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 CO 2, aunque su potencia continua es menor (5 mw) permiten alcanzar pulsos de más de J. Funcionan por colisiones electrónicas que excitan a moléculas de nitrógeno a niveles metaestables de energía y éstas posteriormente excitan moléculas de CO 2 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.

15 Materiales Ópticos 15 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.

16 Materiales Ópticos 16 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 Fe 3+. 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 B 2 O 3 o GeO 2 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.

17 Materiales Ópticos 17 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 SiCl 4 y oxígeno puro, a los que pueden añadirse diferentes contenidos de vapor de GeCl 4 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 GeO 2 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

18 Materiales Ópticos 18 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. Óptica No Lineal Figura 22.- Esquema de la preparación de una fibra óptica a partir de una preforma. 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 LiNbO 3, se preparan continuamente nuevos materiales,

19 Materiales Ópticos 19 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.