Visita al Centro de Investigación en Optica (CIO)
Viernes, 1 de agosto, 2003

Introducción

El presente trabajo presenta las diferentes prácticas que se realizarán durante su estancia en el CIO.

Se ha tratado de incorporar la mayor variedad posible de experimentos de las áreas de investigación tanto experimentales como teóricas que se desarrollan en nuestra institución con el fin de que ya sea personalmente o a través del reporte de sus compañeros puedan tener una idea de lo que es la óptica y su potencial.

Les recomendamos lean cuidadosamente la sección "Introducción al uso y técnicas de laboratorio" ya que en esta se especifican los cuidados que deben tener en el laboratorio y que su estancia tenga solo recuerdos agradables.

Agradeceríamos cualquier comentario sobre su estancia para mejorar su presentación en futuras ediciones.

Quiero agradecer por este medio la invaluable ayuda de los estudiantes, técnicos e investigadores participantes.

De manera muy especial deseo agradecer en esta ocasión la colaboración de la Sra. Anette Torres, la Srita. Mabelle Otero y la Srita. Marisa Vázquez quienes estarán a cargo de coordinar las actividades el día de la visita, así como el apoyo técnico del Ing. Francisco Huerta.

Atentamente,

Dra. Cristina Solano, csolano@cio.mx

Horario de la Visita

• 4:00 LLEGADA DE LOS PARTICIPANTES Y DISTRIBUCIÓN A LOS DIFERENTES LABORATORIOS

• 4:00 – 6:00 TRABAJO EN LOS LABORATORIOS

• 6:00 COMIENZA LA PREPARACIÓN DE LAS PRESENTACIONES

• 6:30 REFRIGERIO EN EL AUDITORIO DMH

• 7:00 COMIENZA PRESENTACION EN LOS DOS AUDITORIOS

• 8:00 SALIDA DEL CENTRO

Las prácticas

1. Fabricación y prueba de una componente óptica.
   (M.C. Julio Cesar Sanchez)
2. Fabricación de una película antirreflectora y un espejo metalico.
   (Dr. Donato Luna)
3. Experimentos demostrativos con el mini lab en física
   (Dr. Eugenio Kourmichev)
4. Tensión eléctrica inducida
   (M.C. Rider Jaimes)
5. Fibras ópticas y modos de propagación de la luz
   (Dr. Alejandro Martínez)
6. Paso y Barrera de Potencial
   (Dr. Norberto Arzatre)
7. Instrumentación Virtual
   (Ing. Miguel Angel Mendoza e Ing. María de la Paz Mendoza Trujillo)

Las reglas sobre seguridad y manejo de equipo se aplican a muchas situaciones cotidianas en los laboratorios. Sin embargo, será siempre el sentido común el que juegue un papel muy importante en cualquier clase de área de trabajo.

En general el uso de cualquier laboratorio representa riesgos personales si no se adoptan las medidas de seguridad necesarias en el manejo de instrumentos, equipos y sustancias utilizadas. El uso del laboratorio de óptica en particular, conlleva peligros potenciales a los asistentes a las prácticas, por lo cual es necesario tomar las medidas adecuadas en cada actividad de modo primordial. No existen reglas generales que puedan describir todas las situaciones. Sin embargo, existen recomendaciones que ayudan a minimizar estas contingencias.

Los principales riesgos en un laboratorio de óptica se encuentran en las fuentes de luz y los equipos eléctricos, los cuales si no se utilizan adecuadamente pueden producir daños inmediatos o futuros en su salud o la de sus compañeros de trabajo.

Para reducir las posibilidades de daños físicos, se deben adoptar las medidas siguientes:

1. No mire las fuentes de luz directamente, especialmente los láseres. Aunque sean de baja potencia como los de He-Ne utilizados en este curso. Estos pueden producir consecuencias irreversibles a su vista.
2. Involúcrese en su práctica y cerciórese de nunca apuntar el láser directamente hacia otras personas.
3. Sepa que cualquier objeto común en el laboratorio como: lentes, metales, cubiertas de equipos, reglas, etc., pueden reflejar o dispersar la luz hacia sus ojos o los de algún compañero, por lo que es muy importante estar atentos al desarrollo experimental, manteniendo cabeza y ojos fuera del alcance directo del láser.
4. Si un experimento requiere que usted mire algún objeto cercano al láser, tenga cuidado de que el rayo láser no se refleje a sus ojos directamente.
5. Si utiliza anteojos extreme sus precauciones, pues accidentalmente el haz puede reflejarse a sus ojos.
6. Algunos experimentos requieren que observe y califique la intensidad del haz láser. No lo mire directamente. Emplee una pantalla que no refleje el rayo intenso hacia sus ojos; e.g. utilice cartulina blanca, papel opaco, vidrio esmerilado, etc.
7. Cuando no utilice el equipo. Cubra la salida del láser (obturador) para bloquear el haz.
8. Los láseres más potentes en los laboratorios de investigación requieren de precauciones adicionales y protecciones especiales a los ojos.
9. Si usted siente que la luz que observa es muy intensa solicite un filtro neutro para colocarlo a la salida del láser. Cada persona tiene sensibilidades diferentes. No compare sus sensaciones con las de sus compañeros.
10. La radiación ultravioleta e infrarroja de algunas lámparas del laboratorio, deben tratarse especialmente. Tales fuentes no deben usarse sin filtros adecuados.
11. En el laboratorio se tienen equipos de alto voltaje, los cuales deben manejarse con precaución. Recuerde que se han dado casos que sólo unos cuantos miliamperes ocasionan la muerte.

Descripción de las Prácticas

En óptica se estudia la interacción de la luz con la materia. Como resultado de este estudio es posible conocer las leyes de propagación de la luz y el cambio de dirección cuando incide sobre la superficie de un objeto transparente, esto es reflexión, refracción y dispersión. En estos fenómenos es evidente la naturaleza "corpuscular" de la luz. Sin embargo tiene también una naturaleza "ondulatoria" que se observa en fenómenos tales como la difracción, interferencia y polarización.

Todos estos conocimientos permiten deducir la forma de las lentes y espejos de un sistema óptico que dirijan la luz de forma tal que sea posible la formación de imágenes de diferentes amplificaciones.

En esta práctica se mostrará el método convencional de fabricación de componentes ópticas así como los métodos de prueba y medición en cada una de las etapas de fabricación de los elementos que se fabrican.

Una película delgada se puede considerar como una placa plano paralela de material homogéneo e isotrópico en donde una onda electromagnética se propaga a través del espesor de ella. Esta película delgada depositada sobre un substrato de vidrio cambia sus propiedades ópticas y un apilamiento de tales capas, puede constituir por sí mismo un filtro o espejo en determinada región del espectro electromagnético.

Casi todos los recubrimientos de películas delgadas dependen, al menos parcialmente, del fenómeno de interferencia para su operación. Los efectos de interferencia en una película son responsables de los colores de una burbuja de jabón, de un metal oxidado o una película de aceite en agua. La luz reflejada en la frontera más interna o más externa de la película interfiere constructivamente si la diferencia de camino es un número entero de longitudes de onda, o destructivamente si es un número impar de medias longitudes de onda. Ya que la diferencia de camino entre los haces depende del espesor de la capa y el ángulo de incidencia, los colores varían con el espesor de la capa y el ángulo de incidencia, los colores varían con el espesor de la capa y con el ángulo al cual ellos son observados.

Una aplicación importante de la óptica de películas delgadas y probablemente la más importante comercialmente, es la reducción de pérdidas por reflexión que presentan las componentes ópticas, debido a la diferencia de los índices de refracción de la componente y el medio ambiente. Las películas antirreflectoras se emplean sobre las superficies de las lentes de casi todos los dispositivos ópticos. Otra aplicación también importante de películas delgadas son los recubrimientos metálicos para espejos.

La práctica consistirá en hacer dos tipos de recubrimientos por medio de evaporación térmica ó cañón de electrones, con sus respectivas mediciones de transmitancia ó reflectancia. La primera evaporación consiste en hacer una película antirreflectora de fluoruro de magnesio con un grosor de un cuarto de longitud de onda sobre una sección de un substrato de vidrio para lograr visualmente observar la diferencia de reflectividad. La segunda evaporación consiste en hacer un espejo metálico sobre un substrato de vidrio.

Objetivo: Demostrar la existencia de una fuerza de interacción entre la corriente eléctrica y un campo magnético, observando las oscilaciones de cuerdas conductoras con corriente eléctrica en un campo magnético. Enseñar los principios de análisis de los parámetros principales de un sistema físico.

Equipo experimental: El Mini Lab en Física es un equipo experimental que emplea básicamente las cuerdas conductoras con la corriente eléctrica en un campo magnético para demostrar y estudiar varios principios de la física de ondas y oscilaciones y algunos conceptos de electromagnetismo.

Experimento 1. Segun "la ley de Ampere", la fuerza magnetostática dF que actúa sobre un elemento infinitesimal de longitud dl de un conductor delgado con corriente eléctrica I, está dada por la fórmula

dF=I[dl x B],

donde B es la inducción magnética y el vector elemental dl se defina por medio de la relación Idl=Idl , es decir, éste tiene la dirección de la corriente I y la magnitud dl. La relación dada por la ecuación anterior fue establecida experimentalmente por A.M. Ampere. De la fórmula anterior se entiende que la magnitud de la fuerza depende del ángulo entre los vectores del campo magnético B y la corriente eléctrica Idl, y puede controlarse mediante tanto la intensidad de la corriente eléctrica I como la del campo magnético B.

Por tanto, manteniendo constante el campo magnético y variando la intensidad de una corriente eléctrica alterna de una frecuencia fija, desde 0 hasta 1.5 amperes, se observa el comportamiento de una cuerda conductora en un campo magnético y sin ello. Los efectos observados demuestran cualitativamente la ley de Ampere.

Experimento 2. Cambiando la tensión en tres cuerdas con una corriente eléctrica alterna igual para las tres cuerdas, en un campo magnético y observando la diferencia en oscilaciones de estas, se concluye que la tensión en la cuerda es uno de los parámetros principales del sistema estudiado.

• Determinar la relación entre la tensión eléctrica inducida en una bobina en función: del número de esperas, diámetro de la bobina y ángulo de giro de la bobina.
• Determinar el efecto del núcleo de la bobina en la tensión eléctrica inducida

1. Moviendo un conductor cerrado en un campo magnético de un imán de modo que el conductor corte las líneas de fuerza de dicho campo.
2. Manteniendo fijo el conductor del caso (a), pero moviendo el imán.
3. Realizando los dos experimentos anteriores, sustituyendo el imán por una bobina recorrida por una corriente.

El flujo magnético puede hacerse variar mediante un campo magnético variable y manteniendo fijo el contorno que limita a la superficie S, o teniendo un campo magnético constante y haciendo variar la superficie

1. Presentación: Fundamentos de las fibras ópticas (15 minutos).
2. Práctica de Laboratorio (1hora y 45 minutos).

El objetivo de esta práctica es hacer comprender al alumno los fundamentos en que se basa la propagación de la luz en una fibra óptica. En particular, sé hara enfasis en la comprensión del concepto de modos de propagación de la luz en una fibra óptica mediante una verificación experimental directa. Al mismo tiempo el alumno aprendera a manejar algunas de las herramientas para cortar fibras ópticas y a realizar acoplamientos por fusión.

1. Laser He-Ne de 5 mW.
2. Objetivos de Microscópio.
3. Fibras Ópticas Varias.
4. Cortador de Fibra óptica.
5. Empalmadora de Fusión.

1. Realizar el acoplamiento de luz láser en una fibra óptica y observar el patrón de intensidad a la salida de la fibra.
2. Empalmar una fibra de características diferentes en la parte donde sale la luz de la fibra anterior y volver a observar el patrón de intensidad de la luz.
3. Explicar los cambios observados en el patrón de intensidad.
4. Repetir el procedimiento (1 y 2) intercambiando el orden de las fibras y explicar lo observado.

Calcular los coeficientes de reflexión y transmisión de una partícula que incide en un paso y barrera de potencial.

De Broglie, en 1924, propuso que la materia poseía propiedades tanto ondulatorias como corpusculares. Este principio fue muy importante para el desarrollo de la Mecánica Cuántica, área de la Física que ha explicado fenómenos, a nivel microscópico, que la Mecánica Clásica no puede explicar.

La reflexión y transmisión de una partícula que incide en un paso y barrera de potencial es un fenómeno en el cuál se basan algunos dispositivos electrónicos. El efecto solo puede explicarse a través de la Mecánica Cuántica.

En la presente práctica se planteará el problema físico y se resolverá con los estudiantes. Se explicará brevemente los aspectos físicos importantes y la actividad de los alumnos será realizar gráficas y/o calcular numéricamente los coeficientes de reflexión y transmisión, así como analizar el comportamiento de propagación de la onda para los casos en los que la energía de la partícula es mayor y menor que la altura del potencial.