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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
Desarrollo de un detector de sismos utilizando un dispositivo láser
Tesis
que para obtener el título de
Ingeniero en Control y Automatización
Presentan:
Cortés González Aideé Jhoana
Neria Xicotencatl Emmanuel
Directores de Tesis:
Dr. Pedro Francisco Huerta González
Dr. Alexandre Michtchenko
México, D.F., Junio 2012
“La técnica al servicio de la patria”
i
Resumen
El presente trabajo muestra el desarrollo de un sensor de ondas
sísmicas, mediante la utilización de un diodo láser en conjunto con un
arreglo óptico, para forman un dispositivo capaz de detectar
movimientos longitudinales. El dispositivo, que cuenta con un péndulo
en el que está montado un diodo láser, se encarga de recibir los
movimientos causados por las ondas sísmicas para aprovechar las
propiedades de alta colimación, intensidad y enfoque del haz de luz
láser. La sensibilidad de detección depende de un arreglo óptico sobre el
que se incide el haz láser.
Para ser utilizado en el dispositivo, se elaboró un láser de diodo de
660 nm y potencia de salida de 200 mW, donde se observaron las
propiedades del haz láser como parte medular del trabajo realizado. Se
hicieron los cálculos de los ángulos de incidencia del haz, sobre los
espejos del arreglo óptico, para diferentes niveles de detección.
También, se diseñó el péndulo portador del diodo láser para detectar los
movimientos longitudinales por efecto de la inercia. Por último, se
colocó un conjunto de fotodetectores para medir los cambios del ángulo
de incidencia del haz láser al pasar por el arreglo óptico.
El sensor de ondas sísmicas permite variar la sensibilidad de
detección ajustándola a tres diferentes niveles dependiendo de la
configuración del arreglo óptico. Asimismo emite una alarma sonora y
luminosa en caso de identificar movimientos por encima del límite
establecido. Para la alimentación, es posible dotar al dispositivo con una
batería recargable auxiliar que lo provea inmediatamente, en caso de
que se produzca una falla en el suministro eléctrico.
“La técnica al servicio de la patria”
ii
Agradecimiento
A nuestros padres, que su incansable
tolerancia ha sido precursora de nuestro
deseo por seguir adelante a pesar de las
adversidades, gracias.
“La técnica al servicio de la patria”
iii
Objetivo
Desarrollar un sensor de ondas sísmicas tipo P o primarias
utilizando un láser de diodo.
Justificación
En el país se cuenta con un servicio sismológico encargado de
informar a la población cuando se registran temblores de magnitud
considerable debido a la importancia que requiere la oportuna
identificación de estos fenómenos naturales que, en épocas anteriores,
han significado la dolorosa pérdida de seres queridos a un gran número
familias mexicanas. Actualmente se realizan grandes esfuerzos por
alertar a la población y evitar desastres inminentes, pues debido a la
geografía del país, en cualquier momento se podría sufrir el embate de
un movimiento telúrico que pudiera poner en peligro tanto vidas
humanas como bienes materiales. Por lo anterior, es necesario
aumentar la conciencia entre las personas que se encuentran en riesgo
y así crear una cultura de prevención adecuada que permita reducir el
impacto de estos desastres naturales. Así que para apoyar en la
oportuna identificación de ondas sísmicas, el presente trabajo muestra
un dispositivo eficaz, de uso sencillo, accesible y bajo costo, para la
detección de estos movimientos de la Tierra, que permita la rápida
identificación del peligro de temblor y así alertar, sólo si es necesario,
oportunamente a las personas para que se tomen las medidas de
seguridad recomendadas en estos casos.
“La técnica al servicio de la patria”
iv
Índice
RESUMEN i
AGRADECIMIENTO ii
OBJETIVO iii
JUSTIFICACIÓN iii
ÍNDICE iv
ÍNDICE DE FIGURAS vii
ÍNDICE DE TABLAS xii
GLOSARIO xiii
NOMENCLATURA xv
CAPÍTULO 1
Sismicidad 1
1.1. Introducción 1
1.2. Sismos 2
1.3. Ondas sísmicas 3
1.3.1. Ondas Primarias ó tipo P 4
1.3.2. Ondas Secundarias ó tipo S 5
1.3.3. Ondas superficiales 5
1.3.4. Ondas Love ó tipo L 5
1.3.5. Ondas Rayleigh 5
1.4. Sismógrafos 7
1.4.1. Sismógrafo mecánico 7
1.4.2. Sismógrafo electromagnético 8
1.4.3. Sismógrafo de banda ancha 9
1.4.4. Acelerógrafos 10
1.5. Escala de magnitud e intensidad sísmica 10
“La técnica al servicio de la patria”
v
1.6. Sismos en México 12
CAPÍTULO 2
Antecedentes y fundamentos teóricos del láser 14
2.1. Introducción 14
2.2. Luz 15
2.3. Láser. Amplificadores de luz 27
2.4. Diferencias entre láser y luz común 32
2.4.1. Intensidad 32
2.4.2. Luz monocromática 33
2.4.3. Coherencia 34
2.5. Láser semiconductor 35
2.6. OPSL 42
2.7. Otros tipos de láser 44
2.7.1. Láser de rubí 44
2.7.2. Láser de He-Ne 46
2.8. Seguridad en el uso del láser 47
CAPÍTULO 3
Diseño y construcción de un láser semiconductor 49
3.1. Introducción 49
3.2. Fuente de alimentación del módulo láser 50
3.3. Controlador del láser de diodo 51
3.4. Montaje del módulo láser y arreglo óptico 56
3.4.1. Colimación 58
CAPÍTULO 4
Aplicación del láser de diodo para fabricar el sensor sísmico 63
4.1. Introducción 63
“La técnica al servicio de la patria”
vi
4.2. Diseño del Péndulo 64
4.3. Diseño del arreglo óptico de espejos 67
4.4. Diseño del módulo receptor 72
4.5. Costos 75
CAPÍTULO 5
Experimentación y resultados 76
CAPÍTULO 6
Conclusiones 79
BIBLIOGRAFÍA 80
ANEXO A
Módulos láser 82
Medidores de potencia del haz láser 84
ANEXO B
Seguridad láser 85
“La técnica al servicio de la patria”
vii
Índice de figuras
Figura 1.1. Distribución de las placas tectónicas en la corteza
terrestre 2
Figura 1.2. Ondas sísmicas tipo P, S, L y R 6
Figura 1.3. Partes principales que conforman el sismógrafo
mecánico 8
Figura 1.4. Partes que conforman el sismógrafo electromagnético 9
Figura 1.5. Sismógrafo de banda ancha. Circuito de
retroalimentación 9
Figura 1.6. Ejemplos de acelerógrafos 10
Figura 1.7. Placas tectónicas que propician la actividad sísmica en
México 13
Figura 2.1. Cámara aislada que contiene un cuerpo en equilibrio
térmico, que actúa como fuente de radiación 17
Figura 2.2. Curva de radiación de un cuerpo negro 19
Figura 2.3. Representación esquemática del modelo atómico de
Bohr 22
Figura 2.4. Representación esquemática de los procesos de
interacción entre los átomos y fotones 24
Figura 2.5. Espectro electromagnético 25
“La técnica al servicio de la patria”
viii
Figura 2.6. Representación de la interacción de átomos, en
estado base y excitados, con un flujo de fotones 29
Figura 2.7. Bombeo óptico. Distribución de las lámparas de flash
para obtener la máxima emisión de fotones 30
Figura 2.8. Partes principales del láser de gas 30
Figura 2.9. Cuadro sinóptico que muestra los tipos de bombeo
existentes para distintos tipos de láser 31
Figura 2.10. Resonador óptico 32
Figura 2.11. Comparación de las características espectrales de
una fuente de luz convencional y una fuente láser 33
Figura 2.12. Coherencia 34
Figura 2.13. Electrones de valencia y estructura cristalina del
átomo de silicio 36
Figura 2.14. Estructura del silicio dopada con átomos de indio 37
Figura 2.15. Estructura del silicio dopada con átomos de arsénico 37
Figura 2.16. Diferencia entre el material tipo N y tipo P 38
Figura 2.17. Diodo semiconductor polarizado inversamente 39
Figura 2.18. Diodo semiconductor polarizado directamente 40
Figura 2.19. Esquema del láser semiconductor 41
Figura 2.20. Salida de un diodo láser con respecto a la corriente
consumida y así como su rango de operación 42
Figura 2.21. Principio básico de operación de la tecnología OPSL 43
“La técnica al servicio de la patria”
ix
Figura 2.22. Niveles de energía del láser de rubí 45
Figura 2.23. Niveles de energía del láser de He-Ne 46
Figura 3.1. Diagrama de bloques del módulo láser 49
Figura 3.2. Circuito de fuente de alimentación con salida de 5V
y 3V con corriente máxima de 1A 50
Figura 3.3. Aspecto físico y distribución de los pines del diodo
láser 53
Figura 3.4. Configuraciones comunes de los diodos láser que
pueden ser manejados en modo automático para el
control de potencia 53
Figura 3.5. Controlador para regular la corriente y mantener
constante la tensión de salida para un diodo láser 54
Figura 3.6. Controlador del diodo láser 56
Figura 3.7. Estructura tubular encargada de guardar el módulo
láser 56
Figura 3.8. Aspecto físico de la estructura tubular y el disipador de
calor del láser semiconductor 57
Figura 3.9. Corriente de umbral de un diodo láser de acuerdo a
la temperatura 57
Figura 3.10. Diodo láser con disipador de calor 58
“La técnica al servicio de la patria”
x
Figura 3.11. Distribución espacial del haz de luz emitido por un
láser de diodo 59
Figura 3.12. Luz divergente proveniente de un láser semiconductor
sin colimar 59
Figura 3.13. Haz láser colimado y enfocado 60
Figura 3.14. Sistema óptico utilizado para la colimación del haz láser 61
Figura 3.15. Aspecto físico del láser de diodo elaborado 61
Figura 3.16. Gráfica de la potencia de salida del diodo láser con
respecto a la corriente 62
Figura 4.1. Péndulo del sismógrafo 64
Figura 4.2. Paso óptico del haz láser 66
Figura 4.3. Dimensiones del gabinete del sismógrafo 68
Figura 4.4. Vista frontal de la distribución del arreglo de espejos
en el interior del gabinete 68
Figura 4.5. Vista lateral de la distribución de los espejos grandes
dentro del gabinete 69
Figura 4.6. Vista frontal y lateral del gabinete 70
Figura 4.7. Vista frontal del gabinete del sismógrafo construido 71
Figura 4.8. Vista superior del gabinete del sismógrafo construido 71
Figura 4.9. Aspecto físico del fotodiodo de silicio 72
“La técnica al servicio de la patria”
xi
Figura 4.10. Arreglo de fotodiodos para la detección del haz láser 72
Figura 4.11. Circuito convertidor de corriente a tensión 73
Figura 4.12 Módulo de fotodetectores 74
Figura 4.13. Circuito convertidor de corriente a tensión para cada 74
fotodiodo
Figura 5.1. Principio de funcionamiento del sismógrafo 76
Figura 5.2. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico
medio 77
Figura 5.3. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico
mínimo 78
Figura A.1. Controlador de diodo láser con salida constante de
2v para diodo láser de 540 nm (haz de luz verde) 82
Figura A.2. Módulos láser de 3 mW y λ=650 nm 83
Figura A.3. Unidad de colimación de luz láser 83
Figura A.4. Lentes para colimar luz del diodo láser 83
Figura A.5. Medidor de potencia óptica de salida del diodo láser 84
Figura B.1. Etiqueta preventiva presente en los productos láser 86
Figura B.2 .Gafas de protección contra la exposición accidental al
haz láser de longitud de onda de 600 nm a 760nm 87
“La técnica al servicio de la patria”
xii
Índice de tablas
Tabla 1.1. Velocidad y riesgo de los tipos de ondas sísmicas 7
Tabla 1.2. Escala modificada de Mercalli 11
Tabla 2.1. Rangos de frecuencia y longitud de onda en el vacío
aproximados para los distintos colores 26
Tabla 3.1. Descripción de los dispositivos mostrados en el
circuito de la fuente de alimentación 51
Tabla 3.2. Características del diodo láser 52
Tabla 3.3. Descripción de los dispositivos mostrados en el
circuito del controlador del diodo láser 54
Tabla 3.4. Valores medidos de la corriente consumida por el diodo
láser y su potencia de salida 62
Tabla 4.1. Costo del gabinete para sismógrafo 75
Tabla 4.2. Costo del módulo láser fabricado 75
“La técnica al servicio de la patria”
xiii
Glosario
Bombeo Aplicación de la energía necesaria para lograr
que los átomos de la cavidad láser pasen a su
estado excitado y realizar la inversión de
población, el tipo de sistema de bombeo depende
del medio activo
Coherencia Característica importante del campo
electromagnético donde las ondas viajan en fase
tanto en el tiempo como en el espacio
Colimación Alineación de los rayos de luz emitidos por una
fuente luminosa haciendo que viajen
paralelamente uno con otro
Divergencia Característica presente en el haz de luz emitido
por un diodo laser sin colimar. Consiste en el
incremento del diámetro del haz a medida que
aumenta su distancia con respecto a un
observador
Foco Lugar donde se origina el movimiento sísmico
Láser Acrónimo en idioma inglés de Amplificador de luz
mediante la emisión estimulada de radiación
Luz monocromática Luz compuesta sólo por una longitud de onda. La
luz láser es considerada generalmente como de
éste tipo
“La técnica al servicio de la patria”
xiv
Máser Acrónimo en idioma inglés de Amplificador de
microondas mediante la emisión estimulada de
radiación
Ondas tipo P También denominadas ondas primarias, son las
que transportan las partículas del medio en la
dirección de propagación, produciendo
compresiones y dilataciones en el medio. Es la
más rápida de las ondas sísmicas
consecuentemente es la primera en ser sentida y
ser registrada
Ondas tipo S También denominadas ondas secundarias, son
las que se desplazan las partículas del medio
perpendicularmente a la dirección de
propagación, estas ondas son las que generan
las oscilaciones durante el movimiento sísmico y
las que producen la mayor parte de los daños.
Sólo se transportan a través de medios sólidos
OPSL Acrónimo en idioma inglés de Láser
semiconductor bombeado ópticamente
Medio activo Es el lugar donde se lleva a cabo la inversión de
población y sea posible la emisión estimulada de
fotones
“La técnica al servicio de la patria”
xv
Nomenclatura
λ Longitud de Onda [m]
ελ Coeficiente de emisión de Kirchhoff [J/m2∙s]
αλ Coeficiente de absorción [-]
Iλ Función de distribución [J/m3 ó W/m3]
PT Energía radiante total a todas las longitudes de onda [W]
σ Constante de Stefan-Boltzmann (5,67033x10-8 W/m2∙K4)
A Área de la superficie radiante [m2]
T Temperatura absoluta [°K]
E Energía [eV ó J]
h Constante de Planck (6,6260755x10-34J∙s)
ν Frecuencia de los osciladores [Hz]
c Velocidad de la luz en el vacío (299 792 458 ó 3x108 m/s)
kB Constante de Boltzmann (1.38 × 10−23 J/K)
P Potencia [W]
R Resistencia [Ω]
I Corriente [A]
V Tensión [V]
IADJ Corriente de la terminal de ajuste del LM317 (100 μA)
IS Corriente de saturación inversa del diodo [A]
“La técnica al servicio de la patria”
xvi
Vp Velocidad de propagación de las ondas tipo P [m/s]
k Módulo de incompresibilidad [-]
μ Módulo de corte o rigidez [-]
ρ Densidad del material a través del el cual se propaga la onda
mecánica [Kg/m3]
α Ángulo de fase de paso óptico total [°]
L Longitud máxima de paso óptico [m]
β Ángulo de fase de espejos en la primera configuración [°]
γ Ángulo de fase de espejos en la segunda configuración [°]
θ Ángulo de fase de espejos en la tercera configuración [°]
En el péndulo, distancia que va desde el punto fijo hasta la salida
del haz láser[m]
g Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
Frecuencia de oscilación del péndulo [Hz]
“La técnica al servicio de la patria”
1
CAPÍTULO 1
SISMICIDAD
1.1. Introducción
La sismología es la rama de la geofísica que se encarga del estudio
de los movimientos internos de la tierra, así como de las ondas
provocadas por estos movimientos. Éste trabajo se encuentra ligado con
la forma en que pueden ser detectadas estas ondas sísmicas, pero
desde hace miles de años ya se había mostrado interés por descubrir
una forma de detectarlas, registrarlas y analizarlas para conocer cómo
es que afectan al entorno. Desde la antigüedad, las poblaciones de
varias regiones del mundo han experimentado movimientos telúricos de
magnitud considerable, y México no ha quedado exento de estos
fenómenos. Además no es un tema nuevo para la mayoría de las
personas del país, sobre todo para aquellas que habitan en regiones de
media o alta actividad sísmica, tales como la zona costera del pacifico
mexicano y el centro del país.
En el presente capitulo se darán algunos conceptos básicos
relacionados con la sismología, que si bien no son complicados de
entender, son de gran importancia para el desarrollo de éste trabajo.
También se conocerán las zonas del país que cuentan con mayor riesgo
de sufrir sismos, los factores que propician éste hecho y los
instrumentos que se usan comúnmente para detectar las ondas
sísmicas, y que son los que se utilizan para alertar a la población cuando
existe una situación de peligro.
“La técnica al servicio de la patria”
2
1.2. Sismos
La corteza terrestre es la capa más rígida de la tierra y por lo
tanto los movimientos que se dan dentro de ella producen fracturas
demasiado grandes. Esto hace que la corteza terrestre no esté formada
de una sola pieza, sino por diferentes partes, a cada parte se le
denomina placa. Las diferentes placas se mueven sobre un medio
semifluido que envuelven la tierra. Cuando las placas se mueven,
chocan entre ellas, haciendo que sus bordes interaccionen de diferentes
formas. La distribución de las placas tectónicas está dada como se
muestra en la figura 1.1.
Figura 1.1. Distribución de las placas tectónicas en la corteza terrestre1.
1 Figura obtenida de http://www.abc.es/blogs/nieves/articolo.asp?articolo=8282 en Septiembre de 2011.
“La técnica al servicio de la patria”
3
Los sismos son los movimientos vibratorios originados en el
interior de la tierra cuando las placas tectónicas interactúan entre sí
provocando grandes colisiones que liberan una gran cantidad de
energía. Esta energía es liberada únicamente mientras los materiales de
la corteza terrestre se reorganizan y vuelven a encontrar su estado de
equilibrio mecánico [1]. Dependiendo de la posición y de las
características de los sismos se pueden clasificar de la siguiente
manera:
Sismos interplaca: Se generan en las zonas de contacto de las
placas tectónicas. Se caracterizan por tener una alta magnitud, foco
profundo (20 km), gran liberación de energía y usualmente son alejados
de los centros de población.
Sismos de intraplaca: Su origen se da dentro de las placas
tectónicas, en las denominadas fallas locales. Se caracterizan por tener
magnitudes pequeñas o moderadas.
Sismos volcánicos: Son consecuencia de la actividad propia de
los volcanes y por lo general son de pequeña o baja magnitud.
Sismos provocados por el hombre: Son originados por
explosiones o bien por un colapso en grandes explotaciones mineras.
1.3. Ondas sísmicas
Las ondas sísmicas se propagan a través de la tierra en todas
direcciones desde el punto de origen, también denominado foco. Existen
dos grupos primordiales de ondas sísmicas, las ondas de cuerpo o
internas que se originan a partir del hipocentro, y las ondas superficiales
que se forman a partir del epicentro. Las primeras se propagan por el
“La técnica al servicio de la patria”
4
interior de la Tierra, mientras que las segundas viajan sobre la parte
externa de la Tierra.
Las ondas de cuerpo o internas se dividen a su vez en ondas
primarias tipo P y ondas secundarias tipo S.
1.3.1. Ondas Primarias o tipo P
Se propagan a mayor velocidad, por lo que a cualquier distancia
del foco son registradas primero, al propagarse hacen vibrar las
partículas en el mismo sentido del tren de ondas, produciendo
compresión y dilatación a su paso.
Estas ondas pueden propagarse a través de los sólidos, los
líquidos y los gases, pues estos se oponen a un cambio de volumen
cuando son comprimidos y recuperan su forma elásticamente.
Generalmente viajan a una velocidad de 1.73 veces de las ondas S.
Velocidades típicas son 1450 m/s en el agua y cerca de 5000 m/s en el
granito o tierra. La velocidad de propagación (Vp), de las ondas P está
determinada por:
(1.1)
Donde:
k: módulo de incompresibilidad
μ: módulo de corte o rigidez
ρ: densidad del material a través del cual
se propaga la onda mecánica
“La técnica al servicio de la patria”
5
1.3.2. Ondas Secundarias ó tipo S
Son ondas de cuerpo que hacen vibrar las partículas en sentido
perpendicular al de su propagación. Tienen velocidades menores que las
ondas P. También son conocidas como ondas transversales o de corte.
Como los fluidos (líquidos y gases) no pueden resistir esfuerzos de
corte, estos medios no transmiten las ondas S.
1.3.3. Ondas superficiales
Cuando las ondas generadas en el foco alcanzan la superficie son
influidas por una discontinuidad y aparecen ondas de superficie, su
velocidad es aproximadamente 0,9 veces a la de las ondas
transversales. Las ondas superficiales son producidas por las ondas de
cuerpo y se dividen en ondas Rayleigh y ondas Love.
1.3.4. Ondas Love ó Tipo L
Son ondas superficiales que se propagan de manera similar a las
ondas S haciendo vibrar las partículas horizontalmente en sentido
perpendicular al de propagación, pero sin movimiento vertical,
generando grandes esfuerzos de corte.
1.3.5. Ondas Rayleigh ó Tipo R
Son ondas superficiales que tienen un movimiento similar a las
ondas en la superficie del agua, haciendo vibrar las partículas sobre un
plano que apunta en dirección a la trayectoria de las ondas, son
movimientos son elípticos y verticales simultáneamente.
“La técnica al servicio de la patria”
6
Figura 1.2. Ondas sísmicas tipo P, S, L y R2.
Las ondas superficiales no sólo tienen amplitudes mayores a las
ondas de cuerpo, sino que además tienen periodos más largos y debido
a su movimiento en especial el de las ondas Love, son particularmente
peligrosas para las estructuras. Las ondas L y R sólo se propagan en
discontinuidades del medio o en interfaces de un medio a otros.
La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de las
características del medio, viajando en mayor medida mediante los
sólidos y en menor a través de los líquidos. Pero de manera general, su
velocidad corresponde a la indicada en la tabla 1.1.
2 Figura obtenida de http://es.lamit.ro/sistemas-alerta-temprana-terremotos.htm en Octubre de 2011.
“La técnica al servicio de la patria”
7
Tabla 1.1. Velocidad y riesgo de los tipos de ondas sísmicas.
Tipo de Ondas Sísmicas Velocidad promedio
(km/s) Riesgo
Primarias (longitudinales o P) 1,5 a 5 bajo
Secundarias (transversales o S) 0,86 a 3 medio
Superficiales 0,8 alto
1.4. Sismógrafos
Los sismógrafos son los instrumentos que se utilizan para registrar
los movimientos del suelo, de manera longitudinal, transversal o una
combinación de ambas, debido al paso de ondas sísmicas.
Estos dispositivos están compuestos de tres partes
fundamentales: el sensor, el amplificador y el inscriptor. El sensor
también llamado sismómetro es el que detecta el movimiento del suelo
convirtiéndolo en señal para que sea registrado. El amplificador como
su nombre lo dice ayuda a amplificar la señal del sensor. El inscriptor
permite obtener un registro de la señal obtenida por el sensor.
Además, en la sismología se consideran tres tipos de sismógrafos:
el mecánico, el electromagnético y el de banda ancha.
1.4.1. Sismógrafo Mecánico
Se basa en un péndulo o masa suspendida a un bastidor, que al
producir un movimiento del suelo se desplaza relativo a éste, en virtud
de su inercia estos movimientos son detectados por transductores o
amplificadores en función del tiempo. Está compuesto por un elemento
detector y un sistema de palancas que sirven para amplificar el
“La técnica al servicio de la patria”
8
movimiento. El registro es realizado sobre un papel ahumado anexo a
un tambor que gira a velocidad fija.
Figura 1.3. Partes principales que conforman el sismógrafo mecánico.
1.4.2. Sismógrafo Electromagnético.
El desplazamiento de la masa genera electricidad al mover una
bobina dentro de un campo magnético de un imán, cuando se produce
un movimiento del suelo se genera una corriente en la bobina
proporcional a la velocidad del movimiento del suelo. El galvanómetro
sirve de amplificador del movimiento, si se hace incidir un haz de luz
sobre un espejo unido al hilo del galvanómetro éste sufre una desviación
y es recogida sobre un papel fotográfico que proporciona el movimiento
del sismómetro. Figura 1.4.
“La técnica al servicio de la patria”
9
Figura 1.4. Partes que conforman el sismógrafo electromagnético.
1.4.3. Sismógrafo de Banda Ancha
Éste sistema consiste en un circuito con una retroalimentación
negativa, el cual ejerce una fuerza proporcional al desplazamiento de la
masa inercial para cancelar el movimiento relativo, un transductor
eléctrico convierte el movimiento de la masa en una señal eléctrica la
cual es una estimación de la fuerza de retroalimentación que debe
ejercerse para anular el movimiento. La señal de la salida de estos
sistemas es de un rango dinámico debido a los transductores
electromagnéticos.
Figura 1.5. Sismógrafo de banda ancha. Circuito de retroalimentación.
“La técnica al servicio de la patria”
10
1.4.4. Acelerógrafos
Estos dispositivos miden la aceleración o la fuerza que actúa sobre
el suelo. Los acelerógrafos no registran en continuo, se activa al ser
excitado por una onda sísmica la cual es registrada por un disco digital
[2].
Figura 1.6. Ejemplos de acelerógrafos. (a) Acelerógrafo Kinemetrics k-2. (b) Acelerógrafo FB-23.
1.5. Escala de magnitud e intensidad sísmica
Las magnitudes de magnitud e intensidad se utilizan para
cuantificar y medir los sismos. La escala de magnitud está relacionada
con la energía liberada por un sismo mediante la identificación de las
ondas símicas; la de intensidad, se refiere a los daños producidos por el
sismo. Ambas escalas son necesarias porque cada una mide aspectos
diferentes de lo ocurrido en un temblor. La escala de magnitud está
relacionada con el proceso físico mismo, mientras que la de intensidad
lo está con el efecto que ocasiona el sismo en la población, las
construcciones y la naturaleza [3].
“La técnica al servicio de la patria”
11
La clasificación de los sismos mediante los sus efectos
observables, fue el primer intento de catalogarlos. En 1902 Giussepe
Mercalli propuso una tabla que de manera ascendente, mostraba los
efectos de estos fenómenos naturales, que fue posteriormente
modificada en 1931 y desde entonces se le ha llamado escala
modificada de Mercalli. Consta de doce grados como se observa en la
tabla 1.2, donde se muestran también las características de cada grado.
Tabla 1.2. Escala modificada de Mercalli.
Escala Características
I. Microsismo, sólo detectado por
instrumentos
II. Sentido por algunas personas
(generalmente en reposo)
III. Sentido por algunas personas
dentro de edificios
IV. Sentido por algunas personas
fuera de edificios
V. Sentido por casi todos
VI. Sentido por todos
VII. Las construcciones sufren daño
moderado
VIII. Daños considerables en
estructuras
IX. Daños graves y pánico general.
X. Destrucción en edificios bien
construidos
XI. Casi nada queda en pie
XII. Destrucción total
En 1935 Charles Richter, tuvo la idea de medir la magnitud de un
sismo basado en el registro de un instrumento. Ésta magnitud fue
definida para sismos locales en California en un radio de
aproximadamente 600 km y determinada a partir de la máxima
amplitud registrada por un sismógrafo Wood Anderson con constantes
“La técnica al servicio de la patria”
12
específicas (período = 0,8 segundos, amplificación estática = 2800 y
factor de amortiguamiento = 0,8) ubicado a 100 kilómetros de la fuente
sísmica. Para su determinación se utiliza la ecuación siguiente:
(1.2)
Donde:
Entonces, AO es la amplitud máxima que sería producida por un
sismo patrón con una deflexión de 0.001 mm en un sismógrafo ubicado
a 100 km del epicentro3.
Ésta escala de magnitud es logarítmica, así que el incremento en
una unidad de magnitud significa un aumento de diez veces la amplitud
de las ondas en el sismograma, mientras que la energía sísmica liberada
de un incremento en magnitud es equivalente al aumento de
aproximadamente 31.5 veces.
1.6. Sismos en México
La República Mexicana cuenta con varias zonas de alta actividad
sísmica debido a su ubicación geográfica, como se puede apreciar en la
figura 1.7. En la parte sur y suroeste del país interactúan la placa de
cocos, la del Pacífico, del Caribe, la norteamericana y la de Rivera. Las
flechas de color rojo indican el sentido en el que cada una se desplaza
en la corteza terrestre. Los puntos naranja indican los lugares en donde
3 Registro de una micra en el sismograma de sismógrafo Wood-Anderson.
ML: Magnitud local
A: Máxima amplitud del registro (mm)
AO: Amplitud máxima producida por un sismo patrón (mm)
“La técnica al servicio de la patria”
13
se registran los sismos de mayor intensidad, mientras que los puntos de
color azul indican los de menor.
Figura 1.7. Placas tectónicas que propician la actividad sísmica en México.
En México, el estudio de la actividad sísmica es relativamente
reciente, pero desde tiempos remotos se han sentido los efectos de
éstos fenómenos naturales por el desplazamiento de las palcas
tectónicas o por actividad volcánica. El 5 de septiembre de 1910, por
Decreto Presidencial se creó el Servicio Sismológico Nacional, como una
dependencia del Instituto Geológico Nacional, para observar la
sismicidad del país. Para determinar con precisión el epicentro del sismo
y sus características, se requiere utilizar varias estaciones sismológicas.
En un inicio, la Red Sismológica Nacional estuvo constituida por el
Observatorio Central de Tacubaya y estaciones ubicadas en Oaxaca,
Mérida, Zacatecas, Mazatlán, Guadalajara y Monterrey. Los detectores
utilizados fueron los sismógrafos Wiechert de período corto. Éstos
sismógrafos con algunas modificaciones y mejoras han continuando en
operación hasta éstos días.
“La técnica al servicio de la patria”
14
CAPÍTULO 2
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTOS TEÓRICOS
DEL LÁSER
2.1. Introducción
Se sabe que la tecnología láser ha dado grandes pasos en el
desarrollo de sus diferentes aplicaciones, desde sus inicios hasta la
actualidad. Esto ha significado la evolución en la forma de estudio de la
mayoría de las ciencias, como son la medicina, astronomía, biología,
geografía, etc.; también en las industrias textil y artesanal teniendo
participación en procesos donde se requiere corte, soldadura, grabado,
etc., de materiales; además de ser requeridos en la implementación de
sensores de sistemas de seguridad, industriales como parte fundamental
del control y para establecer comunicación entre diferentes equipos.
Pero principalmente su auge se debió a la investigación militar una vez
comprobadas las excelentes propiedades y ventajas de estos
dispositivos.
Los orígenes del láser se remontan al siglo XIX, cuando algunos
investigadores, mostraron interés en conocer fenómenos naturales que
la física de aquellos tiempos no podía demostrar. Lo correspondiente al
análisis del láser será expuesto en éste capítulo, indicando las bases
físicas que le dieron sustento, los principios en que se basa su
funcionamiento y se brindará un panorama general acerca de los
“La técnica al servicio de la patria”
15
diferentes tipos que existen haciendo énfasis en el láser semiconductor
utilizado para realizar éste trabajo.
2.2. Luz
Para el análisis del láser (Light Amplification by the Stimulated
Emission of Radiation) desde sus inicios, es necesario conocer cuales
fueron aquellos fenómenos que despertaron tanta curiosidad a los
científicos del siglo XIX, y que los trabajos de estos dieron como
resultado una serie de descubrimientos que sentaron las bases para el
desarrollo de los equipos láser.
La luz, también denominada energía radiante, ha sido uno de
estos fenómenos naturales, que desde hace tiempo, un sinnúmero de
científicos han tratado de explicar. La explicación que en estos tiempos
resulta con mayor aceptación fue resultado de la teoría cuántica, que
surgió al resultar insuficiente el análisis mediante la física clásica. El
análisis de la radiación de cuerpo negro, que comenzó en 1859, muestra
el inicio de los esfuerzos de la física clásica por explicar el fenómeno de
la radiación electromagnética.
En 1859, Gustav Robert Kirchhoff se encontraba estudiando el
comportamiento de los cuerpos en equilibrio térmico durante el proceso
de intercambio de energía radiante. La radiación térmica es la energía
electromagnética emitida por todos los objetos, cuya fuente es el
movimiento al azar de los átomos que lo constituyen. El aporte científico
de Kirchhoff fue la determinación de las habilidades que tiene un cuerpo
para emitir y absorber energía electromagnética. Así que definió un
coeficiente de emisión (ελ) y otro de absorción (αλ), para un pequeño
“La técnica al servicio de la patria”
16
rango de longitud de onda (λ). Además determinó la relación existente
entre ambos mediante una función de distribución (Iλ), la cual depende
sólo de la temperatura y la longitud de onda, quedando de la siguiente
manera:
(2.1)
Donde:
El coeficiente de emisión (ελ) es la energía por unidad de área y
unidad de tiempo, emitida en un pequeño rango de λ. El coeficiente de
absorción es la fracción de la energía radiante incidente absorbida por
unidad de área y unidad de tiempo dentro de ese rango de λ. Kirchhoff
consideró una cámara aislada de algún tipo que se encontraba en
equilibrio térmico con temperatura T fija, entonces concluyó que en
todas las longitudes de onda la cantidad total de energía absorbida por
las paredes debía ser la misma que la cantidad emitida por ellas, debido
a que la temperatura se mantenía constante. Si bien es cierto que no
logró definir la función general de distribución de la energía, observó
que un cuerpo perfectamente absorbente (αλ =1) aparecerá negro, es
decir, Iλ=ελ. También, la función de distribución para un objeto
perfectamente negro es la misma que para una cavidad aislada a la
misma temperatura. La distribución de energía radiante en equilibrio en
el interior de una cavidad aislada es siempre la misma como si
proviniera de un cuerpo negro a la misma temperatura. Entonces, la
energía que saliera de un pequeño agujero en la cámara debería ser
idéntica a la radiación proveniente de un objeto perfectamente negro a
la misma temperatura [4].
ελ: Coeficiente de emisión
αλ: Coeficiente de absorción (a-dimensional)
Iλ: Función de distribución (J/m3 ó W/m3)
“La técnica al servicio de la patria”
17
Figura 2.1. Cámara aislada que contiene un cuerpo en equilibrio térmico, que actúa como fuente de
radiación.
Tiempo más tarde, en 1865 John Tyndall publicó resultados
experimentales en los que estableció que los cuerpos con mayor
temperatura emitían más energía total que los de menor temperatura. Y
en 1879 Josef Stefan, con un poco de suerte, dedujo que la velocidad a
la cual se radia la energía es proporcional a T4. Ambos aun se
encontraban lejos de encontrar la radiación emitida por el cuerpo negro,
sin embargo, L. Boltzmann en 1884 dio, a los trabajos de los
investigadores anteriores, un fundamento teórico mientras realizaba
estudios de la presión de la radiación ejercida sobre un pistón en un
cilindro, aplicando leyes de la termodinámica y las leyes de Kirchhoff.
Así definió la ley de Stefan-Boltzmann para los cuerpos negros, al
analizar las ondas electromagnéticas como si fueran átomos de un gas
dentro de un cilindro, quedando definida de la siguiente manera:
(2.2)
Donde:
PT: Energía radiante total a todas las longitudes de onda
σ: constante universal de Stefan-Boltzmann = 5,67033X10-8 W/m2∙K4
A: Área de la superficie radiante
T: Temperatura absoluta en Kelvin
Energía Radiante Fuente
Iλ =ελ
“La técnica al servicio de la patria”
18
Entonces se puede decir que los cuerpos que no están a cero
Kelvin radian, y como T se eleva a la cuarta potencia, la energía
radiante resulta ser muy sensible a las variaciones de temperatura. Al
aumentar la temperatura de un objeto también cambia la distribución de
la energía emitida entre las diferentes λ presentes. Como ejemplo
visible se puede mencionar que cuando el filamento de una bobilla se
encuentra en un estado normal, presenta un color amarillo casi rojizo,
mientras que cuando se funde aumenta su temperatura, y puede
presentar un fuerte brillo blanco y azulado. Finalmente los últimos
aportes de la teoría clásica, en el estudio de la radiación de cuerpo
negro, fueron expuestos por el físico alemán Wilhelm Otto Fritz Franz
Wien en 1893, quien formuló la llamada ley de desplazamiento que lleva
su nombre. Él determino que cada curva de un cuerpo negro alcanza su
altitud máxima en un valor de longitud de onda (λmax) y de temperatura
T, que son propios de cada uno. En ese punto el cuerpo negro radia la
máxima energía. Wien demostró que:
(2.3)
Donde:
En la ecuación 2.3 se puede observar que la longitud de onda es
inversamente proporcional a la temperatura, por lo tanto, al aumentar la
temperatura el bloque de radiación, que se observa en la figura 2.2, se
desplazara a longitudes de onda más cortas, y frecuencias más
elevadas.
Constante: 0,002898 m∙K
“La técnica al servicio de la patria”
19
Figura 2.2. Curva de radiación de un cuerpo negro. La hipérbola que atraviesa el punto máximo
corresponde a la ley de Wien4.
Wien sólo consiguió trabajar con valores de λ pequeños, que de
acuerdo con sus experimentos, resultaban aproximadamente correctos.
Mientras que su ley no daba los mismos resultados cuando se disponía a
trabaja con longitudes de onda más elevadas. La teoría clásica parecía
fracasar debido a que todos los intentos hechos hasta ese momento
para ajustar la curva de radiación completa, con una expresión teórica
basada en el electromagnetismo, parecían inútiles.
En el año de 1900, Max Karl Ernst Ludwig Planck, presentó una
ecuación de la distribución, que en su búsqueda había dado tanto
trabajo a los anteriores científicos, basándose en los estudios de
Kirchhoff, Maxwell y Boltzmann. En esta ecuación consideraba que las
ondas electromagnéticas estaban en equilibrio en el interior de una
cavidad, por lo tanto en su interior se emite y absorbe toda la radiación
electromagnética, tal como lo había mencionado Kirchhoff. Esto es, un
4 Figura obtenida de www.didactika.com/fisica en Agosto de 2011.
“La técnica al servicio de la patria”
20
cuerpo negro ideal. Y aplicando erróneamente el análisis estadístico de
Maxwell-Boltzmann, que había sido utilizado para comprobar la teoría
cinética de los gases, decidió considerar, como caso especial, que la luz
se componía por pequeñas partículas que interactuaban de manera
independiente con las paredes de la cavidad. Planck supuso que cada
oscilador de la pared de la cámara podía absorber y emitir sólo
cantidades discretas de energía proporcionales a su frecuencia
oscilatoria. Debido a que había considerado que la energía estaba
repartida momentáneamente en pequeñas secciones, asignó a estas
partes un valor pequeño de acuerdo a su frecuencia y a una constante
diminuta obtenida con anterioridad, mejor conocida actualmente como
la constante de Planck. Así que fijo el valor de cada elemento energético
como:
(2.4)
Donde:
Planck fue, sin percatarse de ello, el primero en advertir que la luz
o radiación electromagnética puede ser analizada como una onda
continua y como pequeñas unidades energéticas. Asimismo, determino
la ecuación para la irradiancia espectral, que se ajustaba perfectamente
a los datos obtenidos por los cuerpos negros, respondiendo a los
planteamientos hechos por Kirchhoff:
(2.5)
2
E: Energía
h: Constante de Planck = 6,6260755 x 10-34J∙s
ν: Frecuencia de los osciladores
“La técnica al servicio de la patria”
21
Donde:
Albert Einstein fue el científico que más tarde daría cuenta de una
teoría que revolucionaría la física hasta entonces conocida. En 1905 fue
el primero en dar una definición formal del fotón gracias a su fantástico
trabajo teórico sobre el efecto fotoeléctrico. El estableció que el campo
electromagnético está cuantificado, es decir, cada fotón que lo compone
tiene una energía determinada por la frecuencia del campo de radiación
y la constante de Planck, tal y como lo planteo éste ultimo.
Los fotones son las partículas fundamentales de la radiación
electromagnética, sin carga, sin masa y estables que sólo existen a la
velocidad de la luz. Estas partículas no se pueden observar
directamente, en cambio, es posible analizarlas cuando se crean o
destruyen [5].
La teoría atómica está íntimamente relacionada con la luz, ya que
la luz surge de los procesos energéticos que se llevan a cabo en los
átomos.
El modelo atómico de Niels Bohr presentado en 1913, es el que
sentó las bases para física cuántica. Éste modelo es similar a un sistema
solar en miniatura con un centro o núcleo como el sol, y una serie de
electrones en órbita como si fuesen planetas. Figura 2.3. En éste modelo
Bohr postuló que los electrones en un átomo se mueven en orbitas
circulares alrededor del núcleo bajo la influencia de atracción de
h: Constante de Planck = 6,6260755 x 10-34J∙s
c: Velocidad de la luz
kB: Constante de Boltzmann = 1.38 × 10 23 J/K
“La técnica al servicio de la patria”
22
Coulomb entre dichos electrones y el núcleo. Los electrones sólo tienen
la posibilidad de moverse en una órbita, y aunque tengan aceleraciones
persistentes al moverse en una de estas orbitas, no radian energía
electromagnética, es decir, su energía total permanece constante. Sólo
se emite radiación electromagnética cuando un electrón, que se mueve
en una órbita de energía total Ei, cambia su movimiento de manera
variable para pasar a otra orbita de energía total Ef. La frecuencia de la
radiación emitida queda determinada como:
(2.6)
Donde:
La ecuación 2.6 es igual al postulado hecho por Einstein.
Figura 2.3. Representación esquemática del modelo atómico de Bohr, donde un electrón pasa de
una órbita a otra.
Como se menciono anteriormente, existe una relación muy
estrecha entre la radiación electromagnética y los átomos. Como se ha
visto hasta ahora, se puede observar que los cuerpos emiten energía
h: Constante de Planck = 6,6260755 x 10-34J∙s
v: Frecuencia de la radiación
Ei: Energía de la órbita inicial
Ef: Energía de la órbita de destino
“La técnica al servicio de la patria”
23
electromagnética cuando se calientan esto debido a que el calor se
transmite a los átomos por colisiones entre ellos, generando un espectro
característico que depende de su temperatura. Si se analiza
microscópicamente el proceso que lleva a cabo un átomo para emitir
energía electromagnética o luz se observa que, cada uno de los
electrones, sufren oscilaciones al pasar de un orbital superior a uno
inferior. A éste proceso se le denomina emisión. En la interacción entre
el átomo y la radiación electromagnética, la emisión puede ser de dos
maneras: mediante emisión espontanea y emisión estimulada. Además
existe otro tipo de interacción que puede llevarse a cabo, y que
convenientemente se explicara primero, es la absorción.
La absorción se presenta cuando se tiene un átomo que
inicialmente se encuentra en un estado base, con un electrón en la
primer orbita o nivel y que, como mencionó Bohr, no emite radiación
electromagnética. Entonces sobre éste átomo incide un fotón que tiene
una energía igual a la diferencia de energía E2-E1, haciendo que el
electrón pase del primer nivel a otro mayor, obteniendo como resultado
que el átomo quede en estado excitado. Figura 2.4 (a).
La emisión espontanea se lleva a cabo cuando se tiene
inicialmente un átomo en estado excitado que de forma espontanea, y
en un tiempo de alrededor de 10-8 s, pasa a su estado base emitiendo
en éste proceso un fotón con energía igual a la diferencia de energía
entre ambos estados. El fotón resultante es emitido en dirección
aleatoria. Figura 2.4 (b).
“La técnica al servicio de la patria”
24
Figura 2.4. Representación esquemática de los procesos de interacción entre los átomos y
la energía electromagnética en forma de cuantos (fotones). (a) Absorción. (b) Emisión espontanea.
(c) Emisión estimulada.
La emisión estimulada, propuesta por Einstein en 1917, se logra
cuando se tiene un átomo que se encuentra, primeramente, en estado
excitado y éste interactúa con un fotón. Así que el átomo libera la
energía en exceso, emitiendo un fotón que tiene la misma fase y
dirección que el fotón inicial. Éste es el proceso en el que se basa el
funcionamiento del láser [6]. Figura 2.4(c).
“La técnica al servicio de la patria”
25
Ahora se hablara un poco acerca de la relación entre la luz y la
radiación electromagnética, la cual se presenta en una amplia gama de
longitudes de onda y frecuencias, aunque en el vacio todas viajan a la
misma velocidad.
En 1867 Maxwell publicó la primera descripción extensa de su
teoría electromagnética, donde la banda de frecuencias que se conocía
se apreciaba solamente desde el infrarrojo, pasando por el visible,
llegando hasta ultravioleta. Éste segmento representaba una pequeña
parte del extenso espectro electromagnético. Figura 2.5.
Figura 2.5. Espectro electromagnético5.
En la figura 2.5 se da una descripción de cómo está distribuido el
espectro electromagnético, partiendo de las ondas de radiofrecuencia,
las microondas, el infrarrojo, el visible, la región ultravioleta,
continuando con los rayos X y por último los rayos gamma que son la
radiación electromagnética con la longitud de onda más corta.
5 Figura obtenida de http://utopia.cord.org/step_online/st1-1/st1-1frameset2.htm en Agosto de 2011.
“La técnica al servicio de la patria”
26
El rango de las ondas de radiofrecuencia se extiende desde unos
pocos Hertz hasta 109 Hz. Y tiene longitudes de onda desde varios
kilómetros hasta 0,3 metros aproximadamente. La región de microondas
se extiende desde 109 Hz hasta alrededor de 3,0 x 1011 Hz, con λ de 30
cm a 1,0 mm. Mientras que la región infrarroja se encuentra
aproximadamente desde 3,0 x 1011 Hz, hasta alrededor de 4,0 x 1014 Hz.
Ésta banda de radiación electromagnética se encuentra debajo de la luz
roja y se subdivide en cuatro regiones: IR cercano (780-3.000 nm), el
IR intermedio (3.000-6.000 nm), el IR lejano (6.000-15.000 nm) y el IR
extremo (15.000 nm - 1,0 mm).
La luz corresponde a la radiación electromagnética en la banda
estrecha de frecuencias de 3,84 x 1014 Hz hasta aproximadamente 7,69
x 1014 Hz. Isaac Newton fue el primero en reconocer que la luz blanca
era en realidad una mezcla de varios colores, los cuales componen el
espectro visible. Demostró que un prisma despliega la luz, separándola
en sus colores constitutivos.
Tabla 2.1. Rangos de frecuencia y longitud de onda en el vacío aproximados para los distintos
colores6.
Color λ (nm) v (THz)7 Rojo 780-622 384-482
naranja 622-597 482-503
Amarillo 597-577 503-520
Verde 577-492 520-610
Azul 492-455 610-659
Violeta 455-390 659-769
Muy cerca de la luz se encuentra la región ultravioleta en la banda
del espectro electromagnético correspondiente aproximadamente de 8 x
6 Tabla obtenida de Óptica, Eugene Hecht, p. 77.
7 1 Terahertz (THz) = 10
12 Hz, 1 nanómetro (nm) = 10
-9 m.
“La técnica al servicio de la patria”
27
1014 Hz hasta 3 x 1016 Hz. Posteriormente se encuentran los rayos X con
una frecuencia de aproximadamente 2,4 x 1016 Hz a 5 x 1019 Hz, su
longitud de onda es demasiado corta, ya que la mayoría son más
pequeñas que un átomo. Y por último tenemos a los rayos gamma que
son la radiación electromagnética con la longitud de onda más corta, en
contraste con su energía que es la más elevada. Esta energía va de 104
eV hasta 1019 eV8 [7].
2.3. Láser. Amplificadores de luz
Como se menciono con anterioridad la palabra Láser es las siglas
de la frase en idioma inglés Light Amplification by the Stimulated
Emission of Radiation, que en el idioma español se define como la
amplificación de luz mediante la emisión estimulada de radiación.
Entonces cabe retomar el proceso de emisión estimulada expuesto
anteriormente y que es el principio en el que se basa el funcionamiento
del láser. La emisión estimulada se lleva a cabo mediante la inversión de
población, proceso en el que se busca mantener la mayor cantidad de
electrones, de un átomo, en los niveles superiores. Cuando los átomos
en estado excitado interactúan con fotones, comienza a realizarse la
emisión estimulada.
Los primeros dispositivos que trabajaron mediante éste principio
fueron los denominados Máseres, en 1953. La palabra Máser significa
amplificación de microondas mediante la emisión estimulada de
radiación. Debido a la realización de éste dispositivo, los físicos Charles
Hard Townes de Estados Unidos, y los rusos Nicolay Gennadiyevich
Basov y Aleksandr Mikhailovich Prokhorov, conjuntamente recibieron el
8 1 eV = 1.60217646 × 10
-19 J
“La técnica al servicio de la patria”
28
premio nobel de física en 1964. La fabricación del primer láser funcional
se le atribuye al físico estadounidense Theodore Harold Maiman, en
1960. Éste dispositivo estaba formado por una barra de rubí con
extremos reflejantes y rodeados por una lámpara helicoidal de destellos.
Más adelante se brindará una descripción general y se detallara su
funcionamiento, así como el de algunos láseres comunes.
Para observar de mejor manera como es que se lleva realiza la
inversión de población se puede imaginar un cilindro o una cavidad
como la que se muestra en la figura 2.6. Se puede observar que se
tiene un flujo de fotones inicial (fi) y un flujo de salida (fo). Ahora
suponemos que en el interior del cilindro se encuentra una cantidad
arbitraria de átomos, algunos de los cuales están en estado base (N1) y
otros en estado excitado (N2). Cuando estos átomos con diferentes
estados energéticos interactúen con los fotones, se llevaran a cabo
procesos de absorción (para los átomos en estado base) y de emisión
estimulada (para los átomos en estado excitado). Como en el interior
del cilindro se generan procesos opuestos si el valor de N2=N1, la
absorción reducirá la radiación por emisión estimulada, haciendo que en
la salida fo no se halle emisión alguna. De igual manera, si la cantidad
de N1>N2, entonces el proceso de absorción dominara, contrarrestando
el flujo fi. En contraste con lo anterior, si la cantidad de N2>N1, se verá
un incremento en el flujo de fotones fi, haciendo que se amplifique la
salida fo. De esta manera es como se realiza la amplificación de la luz.
“La técnica al servicio de la patria”
29
Figura 2.6. Representación de la interacción de átomos, en estado base (N1) y excitados (N2), con
un flujo de fotones. El flujo de entrada está indicado por fi y el flujo de salida por fo. L es la longitud
del cilindro.
Los amplificadores ópticos o de luz generalmente son como el
cilindro de la figura 2.6. Para que la cantidad de átomos en estado
excitado sea mayor que la de átomos en estado base, y que se produzca
la inversión de población, es necesario utilizar un dispositivo que brinde
la energía necesaria para que los átomos de la cavidad pasen del estado
base, al excitado. El sistema de bombeo es el encargado de realizar esta
función.
Existen varios tipos de sistemas de bombeo, que dependen del
medio activo9 que se excite, como se muestra en la figura 2.9. Los tipos
de sistemas de bombeo más comunes son el óptico y el que se genera
mediante aplicación de corriente eléctrica. En el bombeo óptico la
excitación de los átomos se debe a la luz emitida por un sistema ajeno
al mismo. Debido a grandes destellos de lámparas de flash, colocadas
de tal manera que se ilumine toda la cavidad, se emiten fotones que son
absorbidos por los átomos en estado base haciéndolos pasar a su estado
excitado.
9 El medio activo puede ser prácticamente cualquier estado de agregación de la materia.
“La técnica al servicio de la patria”
30
Figura 2.7. Bombeo óptico. Distribución de las lámparas de flash para obtener la máxima emisión
de fotones en la cavidad amplificadora. La superficie reflejante permite la concentración de la luz10
.
El sistema de bombeo mediante la aplicación de corriente
eléctrica, es utilizado principalmente en láseres con medio activo
gaseoso y en láseres semiconductores. En el láser de gas, consiste
generalmente en un tubo de descarga que contiene el gas como se
observa en la figura 2.8. La descarga se produce debido a una alta
tensión entre el cátodo y el ánodo situados en el interior. Los electrones
que produce la descarga toman una gran energía cinética que es
transferida a los átomos y moléculas cuando colisionan en el interior del
tubo de descarga, haciendo que se pueblen los niveles de energía
superiores.
Figura 2.8. Partes principales del láser de gas. El espejo parcialmente reflejante permite la salida
de una parte de la radiación electromagnética11
.
10
Figura obtenida de El láser, Vicente Aboites, p. 29.
“La técnica al servicio de la patria”
31
En el láser semiconductor o diodo láser, el bombeo se realiza
pasando corriente eléctrica a través de un componente en estado sólido
con una unión P-N, siendo aquí donde se realiza la inversión de
población.
Figura 2.9. Cuadro sinóptico que muestra los tipos de bombeo para distintos tipos de láser12
.
Como se vio con anterioridad, la cavidad donde se realiza el
bombeo debe cumplir con ciertas características para que se pueda
alcanzar un máximo rendimiento en la emisión. Es necesaria la
utilización dos espejos alineados perpendicularmente al eje óptico, que
encierren al medio activo como se ve en la figura 2.10. El espejo que se
11
Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 169. 12
Figura obtenida de Aplicaciones industriales del láser, L. Bachs, p. 19.
“La técnica al servicio de la patria”
32
encuentra en la parte posterior a la salida del haz es totalmente
reflejante, mientras que el otro será casi totalmente reflejante. Esto
permitirá que se tenga una pequeña cantidad de radiación a la salida y
que la otra parte, en mayor cantidad regrese al resonador para seguir
realizando el proceso de emisión estimulada con otros átomos en estado
excitado. A la salida del resonador se obtiene un haz luminoso con todas
las características de la luz láser.
Figura 2.10. Resonador óptico.
2.4. Diferencias entre láser y luz común.
Desde el punto de vista óptico, la luz láser presenta las siguientes
características: tiene muy alta intensidad, es monocromática, está casi
perfectamente colimada y presenta una alta coherencia. A continuación
se dará la descripción de cada una de estas características, resaltando
sus bondades en comparación a la luz común generada por otras
fuentes, tales como las lámparas de uso domestico o el sol.
2.4.1. Intensidad láser
La alta direccionalidad o baja divergencia del haz láser permite
concentrar toda la energía emitida sobre una región pequeña, dando
“La técnica al servicio de la patria”
33
como resultado una alta intensidad, es decir, alta potencia de luz por
unidad de área. En contraste se tiene la luz proveniente de una fuente
común que emite su energía en todas direcciones, aumentando la región
de emisión haciendo que la intensidad se reduzca. Debido a esto, un haz
láser con potencia de 1 mW13 parece más intenso que una lámpara de
100 W. Además la intensidad de la luz ordinaria decrece rápidamente al
aumentar la distancia de la fuente con respecto a un observador.
2.4.2. Luz monocromática
Se dice que un haz de luz es monocromático cuando está
compuesto solamente de una longitud de onda. A diferencias de las
fuentes convencionales de luz, que tienen diferentes longitudes de onda
a lo largo del espectro electromagnético, la luz láser se considera
generalmente como monocromática [8].
Figura 2.11. Comparación de las características espectrales de una fuente de luz convencional y
una fuente láser14
.
13
Watts (W) ó miliwatts (mW), son las unidades en las que se mide la potencia del haz láser. 14
Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 121.
“La técnica al servicio de la patria”
34
2.4.3. Coherencia
Otra característica importante de los láseres es la producción de
luz coherente. Esto debido a que tienen su campo electromagnético
completamente en fase, es decir, existe una relación fija de fase entre
dos ondas o dos puntos de la misma onda. La coherencia es importante
para mediciones basadas en interferencia. El fenómeno de la coherencia
es dependiente del espacio y del tiempo, por lo que normalmente se le
considera como coherencia espacial y coherencia temporal.
La coherencia espacial se refiere al fenómeno mediante el cual la
diferencia de fase entre dos puntos de un frente de onda de un campo
electromagnético se mantiene constante con el tiempo [9]. Figura 2.12
(b).
Figura 2.12. Coherencia. (a) Coherencia perfecta. (b) Haz espacialmente coherente con
coherencia temporal parcial en t0. (c) Haz completamente incoherente15
.
15
Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 123
“La técnica al servicio de la patria”
35
La coherencia temporal, por otro lado, se refiere a la situación
donde la diferencia de fase, entre el frente de onda de un campo
electromagnético y un punto dado P en un tiempo t, y que en el mismo
punto P y el tiempo t + τ0, se mantiene constante con el tiempo. Figura
2.12 (b).
2.5. Láser semiconductor
Adentrarse en el conocimiento de los láseres semiconductores o
láseres de diodo, resulta demasiado significativo para éste trabajo,
debido a que el funcionamiento del dispositivo que se desea desarrollar
se fundamenta en utilización de un láser de éste tipo.
Los materiales semiconductores son aquellos que tienen la
capacidad de conducir una corriente eléctrica, en mayor medida que los
materiales aislantes y en menor que los conductores, es decir, se
encuentran ubicados en un lugar intermedio. Su capacidad de
conducción se debe a los enlaces que existen entre los átomos que los
componen. Como se explico anteriormente en el modelo atómico de
Bohr, los átomos están constituidos por niveles energéticos que
asemejan un sistema solar, en los cuales giran cierta cantidad de
electrones. En el último nivel de energía se encuentran los electrones de
valencia, que tienen mayor vulnerabilidad a ser liberados o cedidos a
otros átomos, porque están más alejados del núcleo. El átomo de silicio,
por ejemplo, tiene cuatro electrones de valencia, con los cuales se
enlaza con otros átomos tal como se muestra en la figura 2.13.
“La técnica al servicio de la patria”
36
Figura 2.13. Electrones de valencia y estructura cristalina del átomo de silicio.
A pesar del enlace covalente en la unión de los átomos de silicio,
es posible que se genere la suficiente energía cinética, por acción
térmica o luminosa, para lograr romper el enlace y que algunos
electrones adquieran un estado libre. Los electrones libres son los que
hacen posible la conducción de energía eléctrica a través del material.
Entre los materiales semiconductores se encuentran, además del
silicio, al germanio que presenta características muy similares en su
estructura atómica, y compuestos tales como el arseniuro de galio y el
sulfuro de plomo. Una ventaja considerable de los materiales
semiconductores es la capacidad de incremental su conductividad de
manera controlada. Esto es posible gracias a la modificación de la
estructura molecular del material. Cuando se está creando el
semiconductor se le agregan algunos átomos con diferente número de
valencia, tales como el bario, el galio o el indio, que cuentan con tres
electrones de valencia. De esta manera se logra que en la estructura
queden algunos espacios vacios con carga positiva, como se muestra en
la figura 2.14. Éste proceso es conocido como dopaje del material.
Figura 2.14.
“La técnica al servicio de la patria”
37
Figura 2.14. Estructura cristalina del silicio dopada con átomos de indio.
El material resultante del proceso anterior se le denomina material
tipo P debido a que hay una ausencia de carga negativa para completar
el enlace, dejando un hueco con carga positiva. En contraste, si se
agrega a la estructura del silicio átomos con cinco electrones de
valencia, como el fosforo, el arsénico, el bismuto o el antimonio, el
resultado será un material tipo N, en el que se presentan los cuatro
enlaces covalentes junto con un electrón adicional proveniente del
átomo que provoca la impureza, también llamado átomo donador. Éste
electrón queda relativamente libre como para moverse dentro del
material tipo N, siendo sensible a la aplicación de corriente eléctrica.
Figura 2.15. Estructura cristalina del silicio dopada con átomos de arsénico.
“La técnica al servicio de la patria”
38
El diodo semiconductor se forma al unir una capa de material tipo
N y otra capa de material tipo P. En el material tipo N el número de
electrones excede por mucho el número de huecos, estos electrones son
denominados portadores mayoritarios y los huecos portadores
minoritarios. Mientras que para el material tipo P el número de huecos
es mucho mayor que el número de electrones, así que los huecos serán
ahora los portadores mayoritarios y los electrones minoritarios. Figura
2.16.
Figura 2.16. Diferencia entre el material tipo N y tipo P.
Cuando los dos materiales se unen, en la región de unión, los
electrones y los huecos se combinan originando una carencia de
portadores en la región cercana a la unión. La región que se forma por
los iones positivos y negativos descubiertos es la región de agotamiento,
debido a la disminución de portadores en esta zona como se observa en
la figura 2.17.
“La técnica al servicio de la patria”
39
Si al diodo semiconductor le aplicamos una tensión conectando el
polo positivo al material tipo N, el potencial positivo atraerá los
electrones. Y si el polo negativo lo conectamos al material tipo P, los
huecos serán atraídos por el potencial negativo. Los iones, tanto
positivos como negativos para el material tipo N y P respectivamente en
el área de agotamiento, se incrementaran creando una barrera que
detendrá el paso de los portadores mayoritarios en cada caso. Figura
2.17. Entonces, en sentido estricto, no habrá circulación de corriente
por el diodo debido a que se encontrara polarizado inversamente. Existe
una pequeña corriente que se genera en la polarización inversa (IS),
llamada también como corriente de saturación, porque alcanza
rápidamente su nivel máximo y se mantiene casi constante, siempre
que el diodo se encuentre en condiciones normales de operación.
Figura 2.17. Diodo semiconductor polarizado inversamente.
Si hacemos lo contrario al caso anterior y ahora aplicamos el
potencial negativo al material tipo N y potencial positivo al tipo P,
obtendremos como resultado que la tensión aplicada presionara los
portadores mayoritarios de ambos materiales para que se recombinen
con los iones cercanos a la zona de unión, resultando en la reducción del
“La técnica al servicio de la patria”
40
ancho de la zona de agotamiento y a su vez se permitirá un flujo
considerable de portadores mayoritarios a través de la unión. Figura
2.18. Entonces se permite el paso de la corriente de diodo (ID).
Figura 2.18. Diodo semiconductor polarizado directamente.
Durante la recombinación de huecos y electrones pueden ser
emitidos fotones que generalmente se encuentran en la región infrarroja
del espectro. Los láseres de diodo son creados mediante la selección
adecuada de los materiales tipo N y P para la formación de una cavidad
láser donde la región activa es la unión entre ambos componentes. En la
figura 2.19 se muestra uno de estos diodos láser. Como puede
observarse, la unión es un plano ubicado dentro de la estructura, el
espesor de esta región de unión es pequeño, por lo general alrededor de
un micrómetro. Dos de los lados perpendiculares a la unión son ásperos
con el fin de reducir su reflectividad. Los otros dos lados se pulen para
hacerlos ópticamente planos y paralelos. Estas dos superficies forman
los espejos en la cavidad láser.
“La técnica al servicio de la patria”
41
Figura 2.19. Esquema del láser semiconductor16
.
La corriente a través de la unión deberá ser superior al umbral
mínimo. Si la corriente de entrada es baja, el dispositivo funciona como
un diodo emisor de luz (LED), produciendo luz incoherente de baja
potencia. Cuando se alcanza la corriente de umbral, la inversión de
población es lo suficientemente grande para general la emisión
estimulada y así superar las pérdidas [10]. A medida que aumenta la
corriente por encima del valor de umbral, la potencia de radiación
aumenta mucho más rápidamente, emitiendo ahora luz láser coherente.
Figura 2.20.
Además se observa que si la corriente de operación del diodo láser
es superada, se genera un daño comúnmente irreparable en éste
dispositivo.
16
Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 169.
“La técnica al servicio de la patria”
42
Figura 2.20. Salida de un diodo láser con respecto a la corriente consumida y su rango de
operación.
Los diodos láser ofrecen muchas ventajas, incluyendo su tamaño
pequeño, son ligeros, consumen poca energía y tienen una alta
eficiencia por encima del 30%. Éste tipo de láser ha sido ampliamente
utilizado como fuentes de luz para una amplia variedad de aplicaciones,
incluyendo reproductores de discos compactos, impresoras,
almacenamiento de datos magneto-ópticos y telecomunicaciones
mediante fibra óptica [11].
2.6. OPSL
En la última década, los láseres de estado sólido habían estado
remplazando a los que tienen como medio activo el estado gaseoso,
debido a su mayor rendimiento y seguridad. Sin embargo, también
habían presentado algunas limitaciones en las longitudes de onda y los
rangos de potencia en los que se podían operar.
A finales de los años 90 se comenzaron a desarrollar nuevos
métodos de operación de los láseres de estado sólido para revertir las
restricciones que estaban presentando, pero fue hasta el año dos mil
“La técnica al servicio de la patria”
43
uno que se empezaron a comercializar los dispositivos más
desarrollados actualmente, es decir, los OPSL’s.
OPSL son las siglas de las palabras en idioma inglés Optically
Pumped Semiconductor Laser. Estos dispositivos son capaces de
trabajar en un amplio rango de longitudes de onda que van desde el UV,
el espectro visible y el IR. También ofrecen variabilidad en la potencia
óptica de salida, para apegarse a las características del proceso o
sistema al que se desea aplicar la tecnología láser.
Figura 2.21.Principio básico de operación de la tecnología OPSL17
.
En la figura 2.21 se muestra el principio básico de funcionamiento
de la tecnología OPSL, donde se muestra un láser pulsado que incide su
17
Figura obtenida de www.coherent.com
“La técnica al servicio de la patria”
44
haz de luz sobre un lente que concentra la potencia sobre un chip OPS.
El chip emite la luz de manera perpendicular a la unión de los
materiales semiconductores, lo que brinda una mayor área de emisión,
en comparación con lo diodos láser comunes. El haz resultante llega a
un arreglo óptico que forma una cavidad que permite aumentar la
potencia de salida del haz. Dentro de la cavidad, en la salida, se coloca
un cristal que permite el paso de una longitud de onda específica en el
espectro visible, en el cercano IR o en el UV [12].
Una de las características más importantes de los OPSL’s es la
escalabilidad en la longitud de onda y potencia de salida con las cuales
les es posible trabajar, es decir, presentan flexibilidad y capacidad de
adaptarse a diferentes aplicaciones dependiendo de la configuración del
chip de ganancia y de la cavidad.
2.7. Otros tipos de láser
2.7.1. Láser de rubí
Fue el primer láser que se construyó y opero de manera exitosa.
Es un láser de estado sólido y como su nombre lo indica, está
conformado por un cristal de rubí que contiene óxido de aluminio
cristalino (Al2O3) con impurezas de cromo. El cromo constituye alrededor
del 0,05% de la composición del cristal, y remplaza algunos iones del
aluminio, obteniendo como resultado un material de color rosado. El
óxido de aluminio o zafiro es la mayor parte de la masa y actúa como
base para el óxido de cromo que es el medio activo donde se lleva a
cabo la excitación de los átomos. Los niveles energéticos del ion cromo
“La técnica al servicio de la patria”
45
(CO3+) fundamentales para el funcionamiento del láser de rubí se
muestran en la figura 2.21.
Figura 2.22. Niveles de energía del láser de rubí18
.
El nivel de estado base está indicado por E1. Se observa la
presencia de dos bandas de absorción en el nivel E3, cuya notación
espectroscópica es E3a y E3b, estas bandas pueden absorber muy
eficientemente fotones de λ=0,42 μm y 0,55 μm. La vida media de los
iones excitados en las bandas en muy breve, del orden de los
nanosegundos, transcurrido éste tiempo los iones caen de manera
espontanea a un nivel energético inferior cuya notación espectroscópica
es E2, éste último nivel tiene una vida media bastante larga del orden de
los milisegundos, y está formado por dos subniveles indicados como R1
y R2 con λ=0,6943 μm y λ= 0,6928 μm respectivamente, donde la
transición de R1, comúnmente, es más dominante.
18
Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 137.
“La técnica al servicio de la patria”
46
La excitación de del láser de rubí se lleva a cabo mediante el
bombeó óptico que brindar lámparas de flash sobre el cristal. Pero una
de las grandes desventajas de los láseres bombeados de esta manera es
la poca eficiencia, la cual es aproximadamente de 0,1%. Además,
resulta muy difícil la obtención de cristales sintéticos de rubí, lo que
hace aun más difícil su utilización. Actualmente resulta más común la
utilización de otro tipo de medio activo, como los cristales de neodimio.
2.7.2. Láser de Helio-Neón
El láser de Helio-Neón (HeNe) fue el primer láser de gas que se
construyó y en la actualidad es el más comúnmente utilizado. Son
operados generalmente a 632.8 nm, emitiendo luz de color rojo, con
potencias de salida que van desde 1 hasta 100 mW. También pueden
ser utilizados con una λ=543.5 nm emitiendo luz verde y en varias
longitudes de onda dentro del infrarrojo.
Figura 2.23. Niveles de energía del láser de He-Ne19
.
19
Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 140.
“La técnica al servicio de la patria”
47
En la figura 2.22 se observa que los niveles del He, 3a y 3b,
coinciden con los niveles del Ne. En éste láser los átomos activos son los
componentes del neón, y la inversión de población se logra entre NE3a -
NE2a, y NE3b - NE2b. El bombeo de éste láser, como se menciono en el
bombeo para láseres de gas, se realiza mediante las colisiones de los
electrones de una descarga eléctrica principalmente con los átomos de
helio, logrando que se exciten y lleguen a los niveles HE3a y HE3b.
Posteriormente estos átomos serán los encargados de excitar a los
átomos de Neón.
Los láseres de HeNe son ampliamente utilizados en la realización
de pruebas mecánicas no destructivas para verificar el estado de fatiga
de los materiales, sistemas de seguridad, aplicaciones médicas para
tratar problemas de la piel, calibración de sistemas ópticos de precisión,
entre otras.
2.8. Seguridad en el uso del láser
Como se mostró con anterioridad, los láseres pueden ser
clasificados de acuerdo al medio activo en el que se origina la inversión
de población para la emisión estimulada, aunque también es posible
hacerlo tomando en cuenta la peligrosidad que representan para las
personas en su utilización. Es importante conocer las características con
las que cuenta el haz que se está utilizando porque de ello dependerá la
disminución de riesgos al manejar un láser.
Existen láseres de baja potencia que no causan daño a los tejidos
en caso de que las personas estén expuestas a la radiación directa del
“La técnica al servicio de la patria”
48
haz. Generalmente emiten potencias menores de 1 mW, e incluso si el
haz emite radiación con longitud de onda dentro del espectro visible,
puede ser perfectamente detectada por el ojo humano y así evitar su
exposición directa al haz láser por tiempos prolongados. Los láseres con
potencia menor de 5 mW presentan un mayor riesgo ocular, por lo que
los ojos no tienen que estar expuestos directamente a esta radiación.
Aun más peligros resultan los láseres con potencia de 5 a 500 mW,
debido a que la exposición directa, o por reflexión de una superficie,
sobre los ojos podría dar como resultado la pérdida total o parcial de la
vista y daños permanentes. Láseres con potencias por arriba de los 500
mW, resultan como los más peligrosos en todo sentido debido a que
ocasionan daños a la piel y ojos, además en caso de ser utilizados
inadecuadamente, pueden ser generadores de incendios [13].
“La técnica al servicio de la patria”
49
CAPÍTULO 3
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LÁSER
SEMICONDUCTOR
3.1. Introducción
En éste capítulo se mostrara la construcción de un módulo láser
que será de gran ayuda para comprender y comprobar las propiedades
de su haz de luz para sustentar el desarrollo de esta tesis. El módulo
láser está conformado por tres unidades fundamentales como se
observa en el diagrama de la figura 3.1:
Fuente de alimentación,
controlador que brinda tensión máxima de 3V y permite variar la
corriente que llega al diodo láser y,
el diodo láser.
Figura 3.1. Diagrama de bloques del módulo láser.
La construcción quedara dividida en tres actividades que servirán
para mostrar de manera sencilla como es que se fue desarrollando el
equipo.
Fuente del
láser de
diodo:
5 VCD
y 1 A.
Controlador de
láser de diodo:
3 V y
variación de
corriente.
Diodo láser
con potencia
de salida de
220 mW y
λ= 660 nm.
“La técnica al servicio de la patria”
50
Se recurrió a la fabricación de una fuente de alimentación para el
controlador con voltaje constante y corriente máxima de 1A.
Posteriormente se construyó un controlador capaz de brindar tensión
constante y corriente variable al diodo láser, así mismo se busco la
máxima colimación del haz láser utilizando un arreglo óptico. Por último
se procedió a montar el módulo láser y arreglo óptico en un soporte
rígido para evitar vibraciones y desacomodo de los lentes. Además se
agregaron disipadores de calor al diodo para mantenerlo en la
temperatura óptima de operación.
3.2. Fuente de alimentación del módulo láser.
La fuente de alimentación para el módulo láser tiene que cumplir
con las características necesarias tanto de tensión como de corriente
adecuadas para que el sistema funcione correctamente. Para éste
trabajo será suficiente una fuente que proporcione 5 VCD y una
derivación de 3 VCD, con una corriente máxima de 1A. El diagrama
electrónico de esta fuente esta descrito en la figura 3.2.
Figura 3.2. Circuito de fuente de alimentación con salida de 5V y 3V con corriente máxima de 1 A.
“La técnica al servicio de la patria”
51
La tensión de salida fija de 5V de la fuente (Vout), está
determinada por el regulador de tensión (U1). Además si Vin se
encuentra en un rango de 7V a 20V, esta derivación brinda una
corriente máxima de 1A [14].
La otra tensión de salida fija de 3.3V, correspondiente a la
segunda derivación, está determinada por el regulador de tensión (U2).
Si Vin se encuentra en el rango de 4.75V a 10V, la derivación brinda una
corriente máxima de 800 mA [15].
La corriente máxima del circuito se ve limitada por la protección
de 1A colocada en la alimentación del transformador que también es de
1A. Los elementos utilizados para la construcción de la fuente, así como
sus características son indicados en la tabla 3.1.
Tabla 3.1. Descripción de los dispositivos mostrados en el circuito de la fuente de alimentación.
3.3. Controlador del láser de diodo.
El láser de diodo es un dispositivo que se controla mediante la
corriente con que es alimentado, y no mediante la tensión. El
controlador, cuya construcción se mostrara a continuación, es el
Elemento Características D1 1N4001
D2 1N4001
D3 1N4001
D4 1N4001
C1 2200 μF/20V
U1 LM7805
U2 LT1117-3.3
Fusible 1A
“La técnica al servicio de la patria”
52
encargado de mantener la tensión del diodo láser en 3 V fijos, también
se encarga de modificar la corriente en la salida, hasta encontrar la
corriente de umbral del diodo.
Es importante conocer las características eléctricas del diodo láser,
proporcionadas por el fabricante. Generalmente la tensión de operación
de estos dispositivos es 3 V, pero existe riesgo de que se pueda dañar si
no se conocen en realidad sus características eléctricas. La corriente de
umbral y la corriente máxima de operación son otras dos características
de suma importancia que debemos conocer, las cuales son propias de
cada diodo láser. En éste caso, el diodo que se utiliza es de alta potencia
y presenta las características que se indican la tabla 3.2.
Tabla 3.2. Características de mayor relevancia del diodo láser.
Características Normal Máxima Unidades Longitud de onda 660 - nm
Potencia óptica de salida 200 - mW
Temperatura de operación 25 45 ° C
Corriente de umbral 120 170 mA
Corriente de operación 180 350 mA
Tensión de operación 2.5 3 V
Los valores de la tabla son aplicables para las condiciones
normales de operación del diodo a una temperatura de 25°C que
brindan por un periodo de 10 000 horas de trabajo.
A continuación, en la figura 3.3, se muestran el aspecto físico y la
distribución de las terminales del un diodo láser de 660 nm y potencia
de salida de 200 mW.
“La técnica al servicio de la patria”
53
Figura 3.3. Aspecto físico y distribución de los pines del diodo láser.
La configuración interna del diodo láser puede ser de diferentes
tipos como se observa en la figura 3.4. El diodo LD es el diodo láser, y el
diodo PD es un fotodiodo que sirve para medir la cantidad de radiación
emitida por el diodo láser y sea posible la aplicación de control en la
potencia de salida.
Figura 3.4. Configuraciones comunes de los diodos láser que pueden ser manejados en modo
automático para el control de potencia.
Después de la identificación de las terminales del diodo láser (LD),
se utiliza el circuito mostrado en la figura 3.5 como controlador para
manipular la corriente que llega al diodo y mantenerlo con una
alimentación constante de 3V.
“La técnica al servicio de la patria”
54
Figura 3.5. Circuito del controlador para regular la corriente y mantener constante la tensión de
salida para un diodo láser.
Los componentes del circuito mostrado en la figura 3.5 se
muestran en la tabla 3.3.
Tabla 3.3. Descripción de los dispositivos mostrados en el circuito del controlador del diodo láser.
Elemento Características C2 120 pF
R1 100 kΩ
R2 10 kΩ
R3 100 kΩ
R4 10 kΩ
U3 OPA350
U4 LM317
RSHUNT 1 Ω
“La técnica al servicio de la patria”
55
Éste controlador puede operar un diodo láser que requiera
corriente constante, o también para aplicaciones con láser pulsado, es
decir, que presenten variaciones de corriente en periodos de tiempo
muy cortos del orden de nanosegundos.
La corriente del diodo (IOUT) es sensada mediante la medición de la
tensión diferencial a través de la resistencia RSHUNT en serie con el diodo
láser. La corriente de salida (IOUT) es controlada mediante la tensión de
entrada (V2) que proviene de la segunda derivación de la fuente
mostrada en la figura 3.2. Si hubiera un aumento en V2, se
incrementara IOUT. La relación entre estas dos variables está dada por la
siguiente ecuación:
(3.2)
Donde, como se aprecia en la figura 3.5
,
Despejando de la ecuación anterior tenemos que
(3.3)
Ahora, si sustituimos los valores tanto de V2, como el de R3, R4 y
RSHUNT, obtendremos que el valor de IOUT=0,33A. Esta es la corriente que
aproximadamente estaremos aplicando al diodo láser para su correcta
operación. En la figura 3.6 se observan físicamente los componentes del
controlador elaborado.
“La técnica al servicio de la patria”
56
Figura 3.6. Controlador del diodo láser.
3.4. Montaje de módulo láser y arreglo óptico.
El montaje del módulo láser, que se fabricó anteriormente, es de
gran importancia para preservar la seguridad, tanto del diodo, como de
los demás dispositivos electrónicos que ayudan a la construcción del
láser. Es necesaria la utilización de un gabinete rígido que soporte
impactos considerables. Por lo tanto se utilizo una estructura tubular
metálica, como la que se muestra en la figura 3.7.
Figura 3.7. Estructura tubular encargada de guardar el módulo láser.
La estructura tubular está construida de acero inoxidable. De esta
manera se brinda resistencia ante impactos y a la corrosión que provoca
el medio ambiente. Figura 3.8.
“La técnica al servicio de la patria”
57
Figura 3.8. Aspecto físico de la estructura tubular y el disipador de calor del láser semiconductor.
El módulo láser debe quedar perfectamente fijado en el interior de
la estructura, con el fin de que no sufra desacomodo a causa de
movimientos bruscos.
Las características de salida de los láseres de diodo son
fuertemente dependientes de la temperatura de funcionamiento, por ello
es necesario agregar disipadores de calor que se encuentren
estrechamente ligados con el diodo láser para mantener su temperatura
en condiciones óptimas de operación. A medida que aumenta la
temperatura, la corriente de umbral va cambiando de manera típica en
los láseres de diodo, tal como se muestra en la figura 3.8.
Figura 3.9. Corriente de umbral de un diodo láser de acuerdo a la temperatura.
“La técnica al servicio de la patria”
58
Por lo anterior, es indispensable la colocación de disipadores de
calor de cobre o aluminio junto a la estructura metálica del diodo láser,
para mantenerlo a baja temperatura y evitar que surjan variaciones
inesperadas de la corriente de umbral durante el tiempo de trabajo.
Figura 3.10. Diodo láser con disipador de calor.
3.4.1. Colimación
Una característica indeseable del haz de luz emitido por un diodo
láser, es la alta difracción, debido a la longitud, relativamente pequeña
de su resonador óptico y al tamaño de la unión, que es de
aproximadamente 1 μm. Esto produce un perfil espacial elíptico como se
muestra en la figura 3.11.
“La técnica al servicio de la patria”
59
Figura 3.11. Distribución espacial del haz de luz emitido por un láser de diodo.
En la dirección perpendicular a la unión, el haz se limita por la
unión estrecha y originado por la difracción del haz, se forma un ángulo
de varias decenas de grados. Mientras que en la dirección paralela a la
unión, el haz se extiende menos, a unos diez grados aproximadamente.
El efecto anterior se puede apreciar en la figura 3.12.
Figura 3.12. Luz divergente proveniente de un láser semiconductor sin colimar.
Entonces, se requiere que el haz láser sea colimado para
aprovechar al máximo sus propiedades que serán de gran apoyo para la
obtención de mejores resultados al momento de implementar el arreglo
óptico de espejos del detector de ondas sísmicas que ofrece éste
trabajo.
“La técnica al servicio de la patria”
60
La colimación de un haz de luz consiste en la optimización de la
luz divergente emitida por una fuente. Esto se logra cuando los rayos de
luz u ondas provenientes de una fuente luminosa, en éste caso la luz
láser, son transportados en una dirección específica, haciendo que todas
ellas viajen paralelamente una con otra. Se requiere de un arreglo
óptico conformado por lentes que servirán para colimar, en la medida de
lo posible, el haz de luz láser. El sistema utilizado se muestra en la
figura 3.13.
Figura 3.13. Haz láser colimado y enfocado.
Se observa como el lente biconvexo hace que, en el haz láser,
todas las ondas se propaguen de manera paralela una con otra. A esto
también se le llama unificación del haz. Más adelante, opcionalmente se
coloca otra lente biconvexa que tiene la función de concentrar la
intensidad del haz, y una lente cóncava para enfocar. De forma general,
es así como se concentra la potencia de un láser de diodo para
diferentes aplicaciones, como pueden ser de corte, soldado, grabado, e
incluso aprovechar su alta colimación para realizar trabajos con el paso
óptico, tal y como se propone en éste trabajo. El sistema óptico, como el
que se muestra en la figura 3.14, es colocado en una estructura tubular,
que permite variar la distancia entre los lentes.
“La técnica al servicio de la patria”
61
Figura 3.14. Sistema óptico utilizado para la colimación del haz láser.
Cabe mencionar que los dispositivos ópticos utilizados en éste
arreglo son microlentes de aproximadamente 5 mm de diámetro, por lo
que su manipulación debe ser con máximo cuidado, tratando de no
golpearlas, pues pueden rayarse y romperse con facilidad.
Mediante la unificación de los módulos anteriormente construidos,
se obtiene un láser de diodo con longitud de onda de 660 nm y potencia
óptica de salida de 200 mW, altamente colimado y protegido por una
estructura tubular, como el que se muestra en la figura 3.15.
Figura 3.15. Aspecto físico del láser de diodo terminado.
Después de la construcción del láser de diodo, se midió la potencia
óptica de salida del haz y la corriente consumida por el diodo láser. Se
obtuvieron los valores mostrados en la tabla 3.4.
“La técnica al servicio de la patria”
62
Tabla 3.4. Valores medidos de la corriente consumida por el diodo láser y su potencia de salida.
I (mA) P (mW) 25 0
60 0
100 0
120 25
140 65
160 135
180 195
De la tabla 3.4 se obtiene la gráfica de la figura 3.16, donde se
observa el comportamiento de la salida del diodo láser. Se muestra que
cuando se alcanza la corriente de umbral a los 120 mA, aumenta en
mayor medida la potencia de salida y alcanza su valor máximo en 195
mW.
Figura 3.16.Gráfica de la potencia de salida del diodo láser con respecto a la corriente.
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200
P (
mW
)
I (mA)
“La técnica al servicio de la patria”
63
CAPÍTULO 4
APLICACIÓN DEL LÁSER DE DIODO PARA
FABRICAR EL SENSOR SÍSMICO
4.1. Introducción
Los capítulos anteriores han mostrado las bases teóricas en las
que se encuentra fundada la elaboración de éste trabajo, así que resulta
importante la plena comprensión de todos los conceptos antes
mencionados, pues ahora continua la implementación de lo aprendido.
Como se ha mencionado a lo largo de éste texto, serán explotadas las
propiedades del haz de luz emitido por un láser de diodo.
Esto se logrará mediante la aplicación de un arreglo óptico
compuesto por espejos, los cuales tendrán una configuración especial
que permitirá brindar diferentes pasos ópticos. El haz láser será
reflejado sobre los espejos que conforman el arreglo, razón por la cual
es necesario lograr una alta colimación de la radiación, para evitar
mediciones incorrectas en los fotodetectores. El péndulo permanecerá
inmóvil en una posición neutra, haciendo que el haz láser no presente
variación en el ángulo de incidencia sobre los espejos. Cuando el
péndulo presente un movimiento, el ángulo de incidencia del haz sobre
los espejos cambiara, y los fotodetectores interpretaran esta variación
emitiendo una señal audible o visible. Los elementos que conforman el
arreglo óptico, el péndulo y los fotodetectores serán mencionados con
mayor detalle en éste capítulo.
“La técnica al servicio de la patria”
64
4.2. Diseño del péndulo
Como se mostró con anterioridad, el movimiento del suelo con
respecto a la masa de un péndulo se efectuaba, en los primeros
instrumentos, por medio de una pluma o aguja que inscribía sobre un
tambor giratorio. Después se introdujo la inscripción sobre película o
papel fotográfico de un haz de luz reflejado en la masa o sistema
amplificador del sismógrafo.
A continuación se utilizara el mismo principio de operación que
utilizan los sismógrafos mecánicos comunes, donde el sensado del
movimiento de la tierra lo efectúa el péndulo y, como la pluma o aguja
que inscribe los registros en el tambor giratorio, será utilizado el haz de
luz del láser de diodo.
Figura 4.1. Péndulo del sismógrafo.
“La técnica al servicio de la patria”
65
El péndulo está diseñado para detectar las ondas primarias debido
a que son las que se detectan con mayor rapidez, porque tienen 1,7
veces mayor velocidad de propagación que las ondas secundarias. En la
figura 4.1 se pueden observar las partes del péndulo utilizado para
sensar el movimiento longitudinal por acción de la inercia.
Con fines prácticos el péndulo será considerado como simple, sin
fricción con el aire y sin amortiguamiento, de esta manera se simplifica
significativamente el análisis de su comportamiento. La ecuación que
describe el péndulo utilizado es la siguiente
(4.1)
sin 0
Donde:
Las oscilaciones del ángulo de amplitud del péndulo α, debido a las
ondas tipo P, serán menores a 10°, entonces el valor del seno de α será
muy próximo al valor de α. La ecuación diferencial del movimiento del
péndulo queda expresada como
(4.2)
0
0
Donde:
α: Ángulo de desplazamiento del péndulo respecto al reposo
: Distancia que va desde el punto fijo hasta la salida del haz láser
g: Aceleración de la gravedad = 9.81 m/s2
: Frecuencia de oscilación del péndulo
“La técnica al servicio de la patria”
66
La solución general de la ecuación 4.2 permite conocer la posición
del péndulo con respecto al tiempo, es decir, el ángulo que se desplaza
con respecto a la posición de reposo cuando se agregan condiciones
iniciales de movimiento A y B.
(4.3)
Como las ondas primarias ocasionan el movimiento longitudinal de
la tierra en la dirección de propagación de las mismas, el sistema tiene
que estar colocado de tal manera que pueda recibir sus efectos
directamente.
Por las propiedades de alta colimación, coherencia e intensidad del
haz láser, se puede utilizar como si fuera una aguja de longitud L, como
se observa en la figura 4.2. El movimiento del péndulo producirá una
variación del ángulo α del haz láser proyectado sobre una superficie,
observándose un desplazamiento Δx. En el punto ciego, los detectores
no identificaran la señal del haz láser, estando en un estado neutro.
Figura 4.2. Paso óptico del haz láser.
La relación entre las variables anteriores está dada por ecuación
siguiente:
(4.4)
“La técnica al servicio de la patria”
67
tan
Donde:
4.3. Diseño del arreglo óptico de espejos
Para montar el arreglo óptico de espejos se necesita la fabricación
de un gabinete pequeño de un material plástico termofijo para brindar
estabilidad y protección a los espejos. Se recomienda la utilización de un
material no traslucido para evitar que el haz láser sea emitido a la parte
externa. Sin embargo, para éste trabajo el gabinete fue fabricado con
un polímero termoestable trasparente que permitiera observar el
funcionamiento interno del sistema. Figura 4.3.
El arreglo óptico está formado por cinco espejos que son
totalmente reflejantes dentro del espectro visible, con las siguientes
dimensiones:
2 espejos de 14.5 cm x 3 cm
3 espejos de 3 cm x 2 cm
La distribución de los espejos se observa en la figura 4.4 que
presenta la vista frontal del gabinete. Los espejos 1 y 2 son los de
mayor dimensión, y los espejos 3, 4 y 5 son los de menor.
α: Ángulo de incidencia del haz l ser sobre una superficie
Δx: Variación lineal de la distancia sobre una superficie
L: Longitud del haz láser
“La técnica al servicio de la patria”
68
Figura 4.3. Dimensiones del gabinete del sismógrafo.
Figura 4.4. Vista frontal de la distribución del arreglo de espejos en el interior del gabinete.
“La técnica al servicio de la patria”
69
Los dos espejos más grandes son colocados dentro del gabinete
como se observa en la figura 4.4. En uno de los lados se crean cinco
orificios que servirán para colocar los fotodetectores.
Figura 4.5. Vista lateral de la distribución de los espejos grandes dentro del gabinete.
Para montar los tres espejos de menor tamaño se colocan tres
ejes tal como se muestra en la figura 4.6. El eje 1 permanecerá fijo con
el espejo en un ángulo de 45° con respecto a la horizontal del gabinete.
El eje 2 y 3 permitirán la variabilidad de la posición de los espejos sobre
su mismo eje, para cambiar el ángulo de incidencia del haz láser y
ajustar el paso óptico a distintos valores de L.
“La técnica al servicio de la patria”
70
Figura 4.6. Vista frontal y lateral del gabinete.
A continuación, en la figura 4.7 y 4.8, se muestra el gabinete
construido que contiene el arreglo de espejos.
Después de la creación del arreglo óptico se realizaron los cálculos
correspondientes a tres pasos ópticos distintos, esto para tener tres
niveles de sensibilidad. Entonces se parte de la ecuación siguiente:
(4.2)
Donde:
L: Longitud del haz láser
Ln: Longitud del haz láser de espejo a espejo
“La técnica al servicio de la patria”
71
Figura 4.7. Vista frontal del gabinete del sismógrafo construido.
Figura 4.8. Vista superior del gabinete del sismógrafo construido.
“La técnica al servicio de la patria”
72
4.4. Diseño del módulo receptor de luz
El módulo receptor está compuesto por los detectores del haz de
luz láser, la etapa de amplificación de corriente y la alarma audible o
visible que notificara la detección de los movimientos del péndulo.
Los detectores son un conjunto de cinco fotodiodos de silicio como
el que se observa en la figura 4.9. Éste tipo de fotodiodo es sensible
ante la incidencia de luz con longitud de onda de 400 nm a 1100 nm. El
láser de diodo construido emite luz con λ=660 nm, así que éste
fotodiodo es capaz de detectar el haz sin problemas.
Figura 4.9. Aspecto físico del fotodiodo de silicio.
Los cinco fotodiodos son acomodados linealmente como se
muestra en la figura 4.10. El elemento número tres es el encargado de
recibir el haz de luz cuando el sistema se encuentra inmóvil, es decir,
está en un estado neutro de detección sísmica.
Figura 4.10. Arreglo de fotodiodos para la detección del haz láser.
“La técnica al servicio de la patria”
73
Se hizo incidir la luz láser sobre los fotodiodos obteniéndose la
corriente que generan (If). La corriente If medida fue de 40 μA. Se
desarrollo la etapa de conversión de la señal mediante el circuito de la
figura 4.11. Así con la entrada de corriente If, se obtiene una salida de
tensión Us.
Figura 4.11. Circuito convertidor de corriente a tensión.
El capacitor Cc limita el ruido de la señal de entrada. La salida Us
está determinada por la ecuación
(4.3)
Donde:
La resistencia Rf fue calculada para obtener una tensión de salida
de 5.25v.
Us: Señal de salida (v)
Rf: Resistor 50 kΩ
If: Corriente del fotodiodo 5 μA
“La técnica al servicio de la patria”
74
Figura 4.12. Módulo de fotodetectores.
Figura 4.13. Circuito convertidor de corriente a tensión para cada fotodiodo.
“La técnica al servicio de la patria”
75
4.5. Costos
A continuación se muestran los costos parciales y totales de los
dispositivos empleados para la realización de éste trabajo.
Tabla 4.1. Costo del gabinete para sismógrafo.
CANTIDAD ELEMENTO DESCRIPCIÓN COSTO TOTAL
(dólares) COSTO TOTAL
(pesos mexicanos) 2 Espejos de 15 cm x 3cm 5 67.80
3 Espejos de 2 cm x 3 cm 3.3 44.748
3 Ejes para espejos Tornillo de 2pulg. 2.1 28.476
1 Gabinete para
espejos Acrílico de
15 cm x 4 cm x 20cm 10 135.6
TOTAL: 20.4 276.624
Tabla 4.2. Costo del módulo láser fabricado.
20
El cambio de moneda hace referencia al mes de Octubre de 2011, donde 13.56 pesos mexicanos equivalen
a un dólar estadounidense.
CANTIDAD ELEMENTO DESCRIPCIÓN COSTO TOTAL
(dólares)20 COSTO TOTAL
(pesos mexicanos) Psal = 200 mW
1 Diodo láser λ = 660 nm 150 2034
V= 2 a 3 V
I= 120 a 350 mA
L = 15 cm
1 Tubo de Acero DINT = 3.81 cm 2 27.12
DEXT = 4.01 cm
1 Controlador 14.035 190.3146
1 Botón
pulsador 0.4 5.424
1 Disipador de
calor 1.45 19.662
TOTAL: 167.885 2276.5206
“La técnica al servicio de la patria”
76
CAPÍTULO 5
EXPERIMENTACIÓN Y RESULTADOS
En la figura 5.1 se puede observar el principio de funcionamiento
del sismógrafo desarrollado. Está compuesto por el péndulo encargado
de recibir las ondas sísmicas tipo P. También por el arreglo de espejos
que reflejan el haz para obtener un paso óptico máximo de 0,9948 m,
que es la distancia que recorre el haz por el arreglo óptico desde que
ingresa al módulo, hasta que alcanza a los fotodiodos que forman el
arreglo lineal de fotodetección.
Figura 5.1. Principio de funcionamiento del sismógrafo.
Cuando el péndulo se mueve un ángulo α hacia la izquierda o
derecha de la figura 5.1, la reflexión del haz en cada uno de los espejos
Δx
“La técnica al servicio de la patria”
77
cambia obteniendo una variación en la detección de los fotodetectores,
es decir, el sistema pasa de la zona neutral a una detección de
movimiento. Entre mayor sea el ángulo α el desplazamiento del enfoque
del haz en Δx será mayor. El ángulo β de la figura 5.1 corresponde a
10.18°, mientras que el ángulo γ es de 24.45°.
Posteriormente se realizaron pruebas variando la posición de los
espejos 3 y 5 (ver figura 4.4) para obtener un paso óptico menor. El
resultado se puede apreciar en la figura 5.2, donde el paso óptico total
es de 0,7073 m con el ángulo β igual a 21.03° y el ángulo γ igual a
38.58°. De ésta manera se obtiene menor sensibilidad de detección.
Figura 5.2. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico medio.
“La técnica al servicio de la patria”
78
Por último se probó un paso óptico mínimo con la configuración de
los espejos como se muestra en la figura 5.1. Se observa que
únicamente se utilizan los espejos móviles para incidir el haz. El paso
óptico máximo para ésta configuración es de 0,46 m con el ángulo β
igual a 54.63°.
Figura 5.1. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico mínimo.
“La técnica al servicio de la patria”
79
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos mediante la experimentación han
aportado datos para corroborar el funcionamiento del dispositivo
desarrollado en éste trabajo, pues con ayuda de las propiedades del haz
de luz del láser semiconductor fabricado, se comprobó que el sistema
óptico de espejos funciona adecuadamente, debido a que presenta alta
sensibilidad al movimiento del péndulo que contiene al láser. También
se observa que la salida de los fotodiodos es correcta, aportando una
tensión de salida de 5V aproximadamente después de la etapa de
conversión de corriente a tensión. Los movimientos longitudinales
provocados por las ondas sísmicas tipo P se pueden identificar con
facilidad, aunque todavía no se realizan pruebas de detección de sismos
reales. El tamaño del gabinete que resguarda al sistema es pequeño,
resistente y de fácil construcción.
Los puntos susceptibles de mejoras que se pueden apreciar son
varios. Es necesaria la implementación de un sistema de conversión
analógico-digital, para analizar la salida de los fotodiodos y a su vez
permita la comunicación del sistema con una computadora. De ésta
manera se puede lograr la adquisición de datos y posterior calibración
del dispositivo con la ayuda de un sismógrafo empleado por el Servicio
Sismológico Nacional.
Además el sistema podría ser alimentado con una batería
recargable para que funcione adecuadamente en caso de que falle el
suministro eléctrico.
“La técnica al servicio de la patria”
80
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Terremotos
Alejandro Nava
Fondo de cultura económica, tercera edición, 1998, pp. 62-
72.
[2] Página Oficial del Servicio Sismológico Nacional
(http://secre.ssn.unam.mx/SSN)
[3] Nuestro hogar en el espacio
José Francisco Valdés (compilador)
Juan Manuel Espíndola Castro
Fondo de cultura económica, segunda edición, 1995, pp. 52-54.
[4] Óptica
Eugene Hecht
Ed. Pearson, Tercera edición, 2000, pp. 51-81
[5] Luz, láser y óptica
John H. Mauldin
Mc Graw-Hill, Primera edición, 1992, pp. 231, 247.
[6] Física cuántica. Átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas
Robert Eisberg y Robert Resnick
Ed. Limusa, 2004, p. 129.
[7] Fuentes de Luz
Asociación de Aplicaciones de la Electricidad
Ed. Paraninfo, 1992, pp. 33.
[8] Principles of laser materials processing
Elijah Kannatey-Asibu, Jr.
Ed. John Wiley & Sons, Inc. 2009, pp. 122-127
[9] Óptica
R. W. Ditchburn
“La técnica al servicio de la patria”
81
Ed. Reverte, tercera edición, 1982, pp. 393-420
[10] El láser
Vicente Aboites
Fondo de cultura económica, segunda edición, 1998, pp. 19-22,
27-29.
[11] Aplicaciones industriales del láser
L. Bachs, J. Cuesta, N. Carles
Ed. Marcombo, Primera edición, 1988, pp. 14-49.
[12] Optically Pumped Semiconductor Lasers
(www.coherent.com)
[13] IEC60825. Norma internacional para la identificación y reducción
de riesgos en la utilización de dispositivos láser.
[14] Hoja de datos del circuito integrado LM7805
(www.fairchildsemi.com)
[15] Hoja de datos del circuito integrado LT1117
(www.DatasheetCatalog.com)
[16] Hoja de datos del circuito integrado LM317
(http://www.nationalsemi.com)
“La técnica al servicio de la patria”
82
ANEXO A
Módulos láser
Para realizar éste trabajo fue construido un módulo láser, sin
embargo, existen una gran variedad de módulos de pequeñas
dimensiones que se encuentran a la venta y que pueden adaptarse a las
características de la aplicación con la que se desea trabajar. Figura A.1.
Figura A.1. Controlador de diodo láser con salida constante de 2v para diodo láser de 540 nm (haz
de luz verde).
La potencia de salida del láser semiconductor utilizado en éste
trabajo es de aproximadamente 200 mW, pero para fines prácticos y
económicos pueden ser utilizados otros dispositivos con potencias de
salida menores a 10 mW con los que se obtendrán resultados similares.
Un ejemplo de lo anterior es el módulo láser ofrecido por la
compañía Meredith Instrument21, que incluye un diodo láser con λ=650,
corriente de operación de 50 mA y potencia de salida de 1 mW ó 3 mW.
También contiene una lente plástica y una capa exterior metálica de 17
mm de longitud y 6 mm de diámetro. Todo lo anterior por $13,00
dólares. Figura A.2.
21
www.mi-lasers.com
“La técnica al servicio de la patria”
83
Figura A.2. Módulos láser de 3 mW y λ=650 nm.
También es posible encontrar las unidades que componen al
módulo láser por separado. Se pueden adquirir los lentes de colimación
del haz láser con un precio aproximado de $35,00 a $50,00. Los diodos
láser de 5 mW, λ=650 nm, tensión de trabajo de 2.2 VCD, y corriente
de operación de 50 mA, se pueden adquirir por un precio aproximado
de $25,00 dólares. Figura A.3.
Figura A.3. Unidad de colimación de luz láser.
Figura A.4. Lentes para colimar luz del diodo láser.
“La técnica al servicio de la patria”
84
Medidores de potencia del haz láser
Los medidores de potencia láser son instrumentos que reciben el
haz de luz láser a través de un sensor y analizan la potencia. Pueden
ajustarse a diferentes longitudes de onda y tener varios rangos de
medición de potencia óptica de salida. Casi todas las fuentes láser con
potencia menor a 40 mW pueden ser comprobadas con el medidor de
potencia láser mostrado en la figura A.5.
Figura A.5. Medidor de potencia óptica de salida del diodo láser
22.
El medidor anterior proporciona una lectura máxima de 40mW,
para sensar utiliza un fotodiodo de silicio para longitudes de onda de
400 nm a 1100 nm, pero esta calibrado a los 633 nm. Además cuenta
con una precisión de +/-5% y peso aproximado de 120 gramos. Es
portable con dimensione de 117 x 76 x 18mm. Precio aproximado
$286,00 dólares.
22
www.apinex.com
“La técnica al servicio de la patria”
85
ANEXO B
Seguridad Láser
La seguridad en el diseño, uso e implementación de los
dispositivos láser sirve para disminuir los accidentes principalmente
asociados al daño en los ojos por exposición directa al haz. Existen
regulaciones generales que determinan las condiciones, equipo
necesario y precauciones que se deben tomar en cuenta para que la
operación de estos dispositivos sea lo más segura posible.
Como se menciono en la sección 2.8 de éste trabajo, existe una
clasificación que determina el grado de riesgo que representa la
exposición directa del haz para los tejidos del cuerpo humano,
dependiendo de la potencia de salida del haz. A continuación se detalla
esta clasificación, así como las medidas de seguridad recomendadas
para la prevención de accidentes. La clasificación de seguridad en el uso
de los dispositivos láser está basada en el Límite de Emisión Accesible
para el usuario de la siguiente manera:
Láser clase I: Son equipos láser seguros en todas las condiciones
de utilización adecuada, incluyendo el uso de instrumentos ópticos
en visión directa.
Láser clase II. Son láseres que emiten radiación visible en el
intervalo de longitudes de onda comprendido entre 400 y 700 nm,
con potencia inferior o igual a 1 mW. La protección ocular se
consigue normalmente por las respuestas de aversión, es decir, la
molestia que ocasiona la intensidad luminosa del haz sobre el ojo.
“La técnica al servicio de la patria”
86
Esta reacción resulta suficiente para proporcionar la adecuada
protección aunque se usen instrumentos ópticos.
Láser clase II A. Son láseres que pertenecen a la clase II, que
producen daño permanente a la retina por la exposición directa al
haz durante más de 1000 segundos, un ejemplo de éste tipo de
láser es el utilizado por los escáneres láser comerciales.
Láser clase III A. Láseres con potencia menor de 5 mW. La visión
directa del haz es potencialmente peligrosa.
Láser clase III B. Son láseres cuya visión directa del haz es
siempre peligrosa (potencia de salida de 5 a 500 mW). Estos
láseres pueden provocar daño permanente, si un haz directo o la
reflexión del mismo sobre una superficie son mirados por el ojo no
protegido.
Láser clase IV. Éste tipo de láseres produce reflexiones difusas
peligrosas con potencias de salida mayores a 500 mW. Pueden
causar daños sobre la piel y pueden constituir peligro de incendio.
Su utilización necesita extrema precaución.
La mayoría de los productos láser que se comercializan contienen
una o varias etiquetas de advertencia, que muestran la potencia de
salida del haz, así como el nivel de peligro asociado a la clasificación
anterior. Figura B.1.
Figura B.1. Etiqueta preventiva presente en los productos láser.
“La técnica al servicio de la patria”
87
Es muy importante la protección ocular mediante la utilización de
gafas o anteojos con la óptica adecuada de filtrado de la luz láser
reflejada, directa o dispersa. Las gafas deben ser seleccionadas para el
tipo específico del láser utilizado, para bloquear o atenuar en el rango de
longitud de onda apropiada. Figura B.2.
Figura B.2 .Gafas de protección contra la exposición accidental al haz láser de longitud de onda de
600 nm a 760nm23
23
Figura obtenida de www.apinex.com