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La luz como guía                  

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
10/oct/2013

En el mundo de las nuevas tecnologías crece el interés en producir procesadores de información diminutos para la telefonía celular o la computación, y para eso la luz ha sido fundamental, pues gracias a ella es posible la creación de circuitos integrados ópticos más pequeños y menos pesados que los electrónicos, capaces de transmitir grandes cantidades de información.

En el IFUNAM, Roland Terborg y Karen Volke, investigadores del mismo, se interesaron en generar guías de luz para controlar luz por primera vez en un medio no lineal artificial (trayectorias formadas por la influencia de un láser de alta potencia en un medio formado por nano-partículas disueltas en agua destilada).

La creación de circuitos integrados ópticos es una de las posibles aplicaciones de la investigación que Roland Terborg expuso en el Seminario de Estudiantes el pasado 2 de septiembre, titulada “Guía de luz inducida por luz en un medio no-lineal artificial”.

El experimento consistió en hacer pasar un par de láseres: uno de alta potencia (1 watt), denominado haz de bombeo, con una longitud de onda de 532 nanómetros; y otro de menor potencia (~25miliWatts) llamado haz de prueba, con una longitud de onda de 633 nanómetros, sobre nano-partículas dieléctricas (partículas de poliestireno de 50 nanómetros, que no conducen bien la electricidad pero sí reaccionan bajo la influencia de campos eléctricos) disueltas en agua destilada. Esta solución de nanopartículas juega el papel de medio no lineal artificial (MNLA).

Al pasar el haz por el MNLA, la cantidad de partículas en esa zona aumenta proporcionalmente con la intensidad del haz y provoca el cambio en el índice de refracción (que mide el cambio de la velocidad de la luz en un medio) y aparece el fenómeno llamado auto-enfocamiento.


Auto-enfocamiento de un haz de luz en una solución de nano-partículas. Imagen: Physical Review A .

Para entender este fenómeno es necesario saber las condiciones con las cuales puede generarse. En primer lugar hay que aumentar la potencia del haz de bombeo (HB) hasta ~1011 W en un centímetro cuadrado para tener un índice de refracción adecuado con el fin de que el medio tenga un comportamiento no lineal.

“Tener tanta energía está muy difícil”, explica Terborg. Pero él lo logra con un objetivo de microscopio que disminuye hasta mil veces el tamaño del diámetro del haz y produce el aumento requerido en la intensidad del HB. Dentro del MNLA se genera el mismo efecto de una lente convergente, es decir, enfocamiento. El propio haz que promueve el cambio en el medio sufre el efecto de “la lente”, por esto el fenómeno recibe el nombre de “auto-enfocamiento”.

Por naturaleza, todo haz de luz tiende a expandirse por el medio donde se propague; entre más distancia recorre, más se expande, lo que hace que la intensidad se disipe. Sin embargo, cuando un haz está muy enfocado, la distancia en la que se dispersa es más corta. Así que, mientras el HB viaja a través del MNLA, se enfoca y dispersa muchísimas veces.

“Buscamos tener una especie de equilibrio entre qué tanto se enfoca y qué tanto se expande (el haz)”. Cuando se logra este equilibrio se dice entonces que se tiene un solitón, que se ve como un filamento de luz dentro del MNLA. “Eso es lo que esperábamos tener”, agrega Terborg. A este filamento lo podemos reconocer como guía de onda.

Al estar ya formada la guía de onda se hace pasar el segundo haz, el haz de prueba (HP), que debe tener menor potencia para que por sí solo no pueda generar el efecto de autoenfocamiento y que, por el contrario, lo haga una vez que pasa por la guía de onda

Para saber si los haces se ‘auto-enfocan’ los investigadores miden su divergencia. Se usa como punto de referencia el diámetro del HB, ya que fue a través de él que se generó el fenómeno de autoenfocamiento. Los diámetros fueron de aproximadamente 50µm, que es también la medida del diámetro de la guía de onda formada.

Mientras los haces pasaban por el mismo lugar, se desvió un poco al HB, sin modificar su punto de enfoque, esto provocó que también el HP se moviera. Al repetir esto variando controladamente la potencia del HB se concluyó que la eficiencia del guiado de la onda mejora con el aumento en la potencia del HB. Las desviaciones logradas fueron de hasta 4°.

Otro factor importante del trabajo es que se observó una estructura de anillos a la salida de ambos haces. No existe reporte de esa formación de anillos en ningún lugar, pero se piensa que tiene que ver directamente con el MNLA.


A la izquierda se muestra el auto-enfocamiento del HB donde se alcanza a apreciar un poco la estructura de anillos antes mencionada. A la derecha se ve el HP que no es capaz de auto-enfocarse solo, pero lo logra al pasar por la guía de onda formada. Imagen: Roland Terborg.

“Este es el primer experimento de guías de onda que se hace con un MNLA”, dijo Terborg a Noticias IFUNAM. Además, se logró que los haces recorrieran un camino de 5mm, más largo que los que generalmente se utilizan(1mm).

Lo que sigue es ver de qué manera se modifica el comportamiento del MNLA al cambiar el tipo de haz. Sin embargo, ya es evidente que la luz puede ser guiada a través de luz en estos medios.

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