DESARROLLO DE UN DETECTOR DE SISMOS UTILIZANDO UN DISPOSITIVO LASER

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

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

ii

Agradecimiento

A

nuestros padres

, que su incansable

tolerancia ha sido precursora de nuestro

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

iv

Índice

RESUMEN

AGRADECIMIENTO

OBJETIVO

JUSTIFICACIÓN

ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS

ÍNDICE DE TABLAS

GLOSARIO

NOMENCLATURA

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

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

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

ANEXO A

Módulos láser 82

Medidores de potencia del haz láser 84

ANEXO B

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

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

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

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

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 =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

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

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

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

xv

Nomenclatura

Longitud de Onda [m]

ε Coeficiente de emisión de Kirchhoff [J/m2∙s]

Coeficiente de absorción [-]

I Función de distribución [J/m3 ó W/m3]

PT Energía radiante total a todas las longitudes de onda [W]

σ

A Área de la superficie radiante [m2]

T Temperatura absoluta [°K]

E Energía [eV ó J]

h Constante de Planck (6,6260755x10-34J∙s)

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 A)

xvi

Vp Velocidad de propagación de las ondas tipo P [m/s]

k Módulo de incompresibilidad [-]

Módulo de corte o rigidez [-]

ρ

Ángulo de fase de paso óptico total [°]

L Longitud máxima de paso óptico [m]

Ángulo de fase de espejos en la primera configuración [°]

γ

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

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

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.

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

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

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

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.

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

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

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.

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

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

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)

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

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

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

16

rango de longitud de onda ( ). Además determinó la relación existente entre ambos mediante una función de distribución (I ), la cual depende

sólo de la temperatura y la longitud de onda, quedando de la siguiente

manera:

(2.1)

Donde:

El coeficiente de emisión (ε ) es la energía por unidad de área y

unidad de tiempo, emitida en un pequeño rango de . 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 . 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 ( =1) aparecerá negro, es

decir, I =ε . 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)

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:

Donde: _P

T: 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

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 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 ( max) y de temperatura

T, que son propios de cada uno. En ese punto el cuerpo negro radia la

máxima energía. Wien demostró que:

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.

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 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

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:

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

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

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

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

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

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.

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 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

v (THz)

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.}

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

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

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.

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.

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

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

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.

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 incoherente 15

.

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

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.

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.

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