mediante la técnica de

Curso 2005 - 2006

Medida de coeficientes de absorción

mediante la técnica de

espectroscopia intracavidad láser

Realizado por Daniel López García de la Barrera

Dirigido por Sebastián Jarabo Lallana

ÍNDICE

1. Introducción...3

1.1 Coeficiente de absorción y espectro de absorción...3

1.2 Sensibilidad de la técnica de espectroscopia intracavidad...5

1.3 Plan de desarrollo del trabajo...8

2. Medidas de atenuación...11

2.1 Descripción del método...11

2.2 Montaje experimental...13

2.3 Medidas realizadas...14

2.4 Resultados y conclusiones...16

3. Medidas por intracavidad en láser de anillo...19

3.1 Descripción del método...19

3.2 Montaje experimental...24

3.3 Medidas realizadas...25

3.4 Resultados y conclusiones...26

4. Medidas por intracavidad en láser lineal...31

4.1 Descripción del método...31

4.2 Montaje experimental...32

4.3 Medidas realizadas...33

4.4 Resultados y conclusiones...35

5. Conclusiones...37

6. Equipo experimental, programas y preparación de las cubetas...39

1. Introducción

En este trabajo se aborda el empleo de la técnica de espectroscopia intracavidad láser, la cual presenta una sensibilidad muy alta en comparación con otras técnicas (Demtröder, páginas 375-384), lo que resulta muy ventajoso en medios poco absorbentes o en muestras muy delgadas, problema habitual en campos de gran interés como la Medicina y la Biología, entre otros. En este sentido, uno de los ámbitos de estudio más extendidos es el de la medida de concentraciones de sal, glucosa o hidrocarburos que contienen ciertas disoluciones acuosas. Aquí, en concreto, se ha medido el coeficiente de absorción de distintas concentraciones de sal disuelta en agua por su importancia en Biología y por su facilidad de manejo.

En la bibliografía podemos encontrar referencias al espectro de absorción del agua medidas por el método habitual descrito más abajo (figuras 1.1), así como referencias (Schmidt, página 345) al hecho de que al diluir sal en agua, el coeficiente de absorción de la mezcla disminuye.

Figura 1.1 a. Coeficiente espectral de absorción del agua (Niemz, página 65).

1.1 Coeficiente de absorción y espectro de absorción

El factor de atenuación espectral o espectro de absorción de una muestra viene definido por el cociente entre las intensidades espectrales de la luz antes y después de atravesar la muestra. Considerando la muestra homogénea y de una longitud L, la

atenuación producida por el medio es de tipo exponencial, esto es, para cada longitud de onda Pout / Pin = e (-α(λ)L), donde α(λ) es el coeficiente de absorción del medio. Existen varias técnicas para realizar este tipo de medida (aunque las técnicas más habituales consisten en medir con y sin muestra la potencia de luz proveniente de una fuente, o bien, dividir el haz en dos, haciendo pasar una parte por la muestra y llevando la otra a un detector de referencia). 0 5 10 15 20 25 30 35 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 Longitud de onda (nm) Co eficien te d e ab so rc ió n (cm -1 )

Figura 1.1b. Coeficiente de absorción del agua en la región espectral de interés en este trabajo (Wieliczka)

Figura 1.1c. Coeficientes espectrales de transmisión del agua y de una disolución de sal en agua (Schmidt, página 344)

1.2 Sensibilidad de la técnica de espectroscopia intracavidad

Básicamente, la técnica de espectroscopia intracavidad consiste en estudiar cómo se modifican la eficiencia y el umbral de emisión al introducir un medio absorbente en la cavidad de un láser, aumentando de este modo las pérdidas de la cavidad.

A grandes rasgos un láser es un medio amplificador dentro de una cavidad resonante con una de las salidas parcialmente transmisora, esto es, un medio capaz de amplificar que está inmerso en un camino cerrado, de forma que la luz que atraviesa el medio amplificador vuelve a atravesarlo de forma recurrente. Cuando las pérdidas de potencia óptica producidas por los diferentes elementos de la cavidad se igualan a la ganancia del medio activo, se obtiene emisión láser con una potencia que depende linealmente de la diferencia entre la intensidad de bombeo (suponemos bombeo eléctrico) y la intensidad umbral, que es la intensidad mínima necesaria para que el medio emita luz láser.

Así, el comportamiento de un láser suele explicarse (Svelto) considerando que se trata de un medio amplificador dentro de una cavidad resonante (lineal o de anillo) y que la acción del láser se establece cuando la ganancia G del medio activo compensa las pérdidas de la cavidad. Es decir G·T=1, o bien, si trabajamos con magnitudes logarítmicas, γ = ln G = - ln T = α, donde γ recibe el nombre de factor (logarítmico) de ganancia y α representa el factor (logarítmico) de pérdidas por paso de la cavidad. La potencia emitida por un láser de estas características con bombeo eléctrico vendrá dada por: ) I I ( P_s =η_{s p} − _p,th (1.1)

La eficiencia de salida del láser ηs es inversamente proporcional al parámetro α, mientras que la intensidad umbral de bombeo Ip,th es directamente proporcional a α.

De esta forma, si aumentamos las pérdidas en la cavidad, la influencia del cambio sobre la potencia de salida es doble ya que le afecta tanto a través de la eficiencia como del cambio de umbral de emisión del láser.

Figura 1.2: Efecto de la introducción de pérdidas en la cavidad sobre la curva de emisión láser.

Como veremos, el hecho de que la recta sufra este doble efecto es la base que lleva a que la sensibilidad que se puede obtener con las medidas hechas con esta técnica sea superior. Por otro lado, si suponemos que las pérdidas introducidas son muy pequeñas (estudio de muestras muy delgadas), el cambio en la emisión láser vendrá determinado por el cambio en el coeficiente de transmisión de la cavidad ΔT lo que acarreará una variación en el parámetro α que llamaremos Δα.

El coeficiente α representa las pérdidas totales en la cavidad y su expresión viene dada por α = (α1 + α2)/2+ αi , donde α1 y α2 son las pérdidas de luz en los espejos de la cavidad y αi representa las pérdidas internas de propagación en la cavidad. Es importante resaltar que la modificación que nosotros llevamos a cabo sobre α se debe solo a nuestra actuación sobre αi, y que no actuamos sobre el factor de reflexión de los espejos.

Con todo lo dicho, la variación en la potencia de salida es:

(

)

En esta expresión podemos ver la dependencia de la potencia emitida con las variaciones del coeficiente de absorción de la muestra, sobre todo, haciendo hincapié en el signo menos que nos indica que cuando la atenuación disminuye la potencia emitida aumenta.

Sin embargo, por el método convencional de medida de absorción, la medida resultaría simplemente: α − = eP P 0 => P d dP − = α => Δ = dα Δα =−PΔα dP P => α Δ − = Δ P P (1.4)

Por lo tanto, con este método mejoramos la sensibilidad en un factor

G I I I I I I F _th p p p th p p p ln 1 1 − = − = α (1.5)

A modo de ejemplo, lo que para un hipotético caso en el que el medio presentase una ganancia 1.5 y alimentásemos el láser con una potencia tres veces superior al umbral representaría una mejoría que vendría dada por F = 3.7.

Ahora, inspeccionando la fórmula de F, nos interesaría trabajar con un láser cuyo medio activo tenga una ganancia próxima a la unidad (es decir, que la cavidad tenga pocas pérdidas). Además, para maximizar la sensibilidad conviene alimentar el láser con intensidades cercanas al umbral (que será bajo en una cavidad con pocas pérdidas). Sin embargo, esto limitaría el grosor de las muestras con que podríamos trabajar (ya que para muestras gruesas la atenuación sería tal que la ganancia del medio podría no ser suficiente para igualar las pérdidas). Además, en estas condiciones cualquier pequeña fluctuación en la intensidad afecta de manera decisiva a la medida. De esta forma, las fluctuaciones en la intensidad nos limitan el rango de trabajo dado que si no F podría ser casi tan grande como quisiésemos, por ejemplo, para un caso hipotético en que la ganancia fuese 1.01 y alimentásemos con una intensidad 1.1 veces más grande que la umbral, el factor F alcanzaría un valor de 1105.

No obstante, el método presenta ciertos inconvenientes, fundamentalmente la ya mencionada influencia de las inestabilidades en la intensidad de alimentación pero también el hecho de que obtener los parámetros a través de la medida de la potencia de salida no es un proceso inmediato sino que requiere un tratamiento de los datos obtenidos.

Una solución al problema de las fluctuaciones debidas a la intensidad de alimentación la encontramos en realizar medidas de eficiencia de salida y de intensidad umbral en función de la absorción de manera que la medida resulta mucho más estable, aunque, sin embargo, este proceso lleva a una pérdida de sensibilidad con respecto al anterior: Medida de eficiencia: G S S ln α α α η η Δ − = Δ − = Δ Medida de umbral: G I I th p th p ln α α α ₌₊ Δ Δ + = Δ De forma que G F ln 1 =

Notar que F en este caso es más pequeño que en el caso anterior, dado que ahora no está incluido el cociente de intensidades de bombeo y bombeo menos umbral (que es mayor que la unidad).

1.3 Plan de desarrollo del trabajo.

En este trabajo se ha intentado aplicar experimentalmente la sensibilidad real que presenta la técnica de espectroscopia intracavidad a un caso concreto: La medida del coeficiente de absorción del agua con sal.

En primer lugar, se comenzó con una fase de estudio de la técnica mencionada y que se encuentra bien documentada en la bibliografía (Demtröder páginas 375-384). A continuación, se preparó el primer montaje experimental en el que se utilizó una técnica estándar de cara a contrastar nuestras propias medidas posteriores. Con este montaje se trató de determinar el coeficiente de absorción del agua en cubetas de distintos espesores, así como el efecto que produce la disolución de sal en agua sobre el coeficiente de absorción del medio. Una vez obtenidas las primeras medidas, montamos dos láseres diferentes en los que medir el coeficiente de absorción por medio de la

técnica intracavidad. En el primero de ellos dejamos que el propio láser cambie la longitud de onda de emisión, mientras que en el segundo caso fijamos la longitud de onda.

Se ha tratado de un trabajo fundamentalmente experimental aunque, una vez realizadas todas las medidas se propusieron un par de modelos simples de cara a explicar la fenomenología observada, cuantificando los efectos y comparando con los resultados que se desprenden de la bibliografía en que se documentan otras técnicas de medida de coeficientes de absorción.

Así pues, la estructura del escrito nos introduce en la técnica de medida estándar para a continuación estudiar dos montajes de medidas intracavidad de cara a compararlas con la primera. Una vez obtenidos los resultados, comparamos ambas técnicas resaltando las ventajas y aplicaciones de cada una.

2. Medidas de atenuación

2.1 Descripción del método

Como ya se ha comentado, de cara a contrastar nuestros propios datos y medidas y con la intención de introducirnos en el estudio de la medida de coeficientes de absorción, durante el desarrollo de la parte experimental de este trabajo, realizamos una serie de montajes de distintos tipos.

En el primero de ellos, la medida del coeficiente de absorción se lleva a cabo a través de un método usado habitualmente que consiste en medir la intensidad de luz proveniente de un haz colimado con o sin la interposición de una determinada muestra, consistente en una cubeta de vidrio de caras planoparalelas que contiene en nuestro caso una disolución de sal en agua y colocada de tal forma que la incidencia del haz sobre ella es normal. En nuestro caso (ver capítulo 2.2) el haz está generado por la emisión espontánea amplificada (ASE) de un amplificador óptico de semiconductor (SOA). De esta forma pudimos comprobar los efectos propuestos en la bibliografía, amén de contar de esta manera con una medida de tipo estándar hecha con nuestros propios aparatos con el fin de poder comparar los resultados obtenidos por éste método con respecto a los obtenidos por medio de medidas intracavidad.

Para determinar los coeficientes de absorción a partir de estas medidas suponemos que la sal apenas hace variar el índice de refracción y, por tanto, despreciamos su influencia sobre el índice de reflexión en las caras de las cubetas empleadas. En adelante, denominaremos T al índice de transmisión de la luz al pasar del aire al vidrio y viceversa, T’ al índice de transmisión de la luz al pasar de agua a vidrio y viceversa, α al coeficiente de atenuación del agua, α+Δα al coeficiente de atenuación de la disolución de sal en agua y L a la longitud de la cubeta empleada. Además, como entre medida y medida hay que retirar y volver a colocar la cubeta, añadiremos un factor B que representará las pérdidas medias producidas por una hipotética desviación en la posición de la cubeta de una medida respecto a otra y otras pérdidas comunes a todas las medidas, como la atenuación del vidrio o los efectos de reflexiones múltiples en las caras de la cubeta (Fabry-Pérot). Es importante resaltar que podemos considerar estos últimos comunes a todas las medidas porque medimos con resolución baja y por tanto el efecto queda integrado. A esto, además, hay que añadir el hecho de que son variaciones

pequeñas y que se van a minimizar aún más debido a la desviación con respecto a la normal de la cubeta.

Con todo esto tenemos que, para cada concentración, cada longitud de cubeta y en función de la longitud de onda, la potencia detectada por el OSA es:

• Sin cubeta: Psoa (Potencia proporcional a la emitida por la fuente (SOA)) • Con la cubeta vacía: Pref = Psoa·T4·B

• Con la cubeta con agua destilada: Pdest = Psoa·T2·T’2·e(-αL)·B • Con la cubeta con agua salada: Pdisol = Psoa· T2·T’2·e(-αL)·e(-ΔαL)·B

De esta forma, podemos calcular el valor de Δα sin más que dividir la medida de la potencia detectada con agua salada entre la de agua destilada para cada longitud de onda. disol dest P P Lln 1 = Δα (2.1)

Una manera sencilla de determinar α a partir de las medidas es utilizar los resultados correspondientes a dos cubetas diferentes de longitudes L1 y L2:

P1 = Psoa· T2·T’2·B·exp [-(α+Δα) L1] Potencia medida para la cubeta de longitud L1. P2 = Psoa· T2·T’2·B·exp [-(α+Δα) L2] Potencia medida para la cubeta de longitud L2. De esta forma podemos determinar α+Δα y como Δα es conocido del anterior experimento, determinamos α. α α −Δ − = 2 1 1 2 ln 1 P P L L (2.2)

Aquí conviene resaltar el hecho de que el error en la medida disminuye conforme mayor es la diferencia entre las longitudes de las cubetas, es decir, cuanto mayor es la atenuación de la muestra (siempre dentro del rango dinámico).

2.2 Montaje experimental

El montaje experimental consiste en un amplificador óptico de semiconductor (SOA), cuya emisión está acoplada a una fibra y colimada por una lente GRIN. El haz colimado atraviesa la cubeta y es recogido por una segunda lente GRIN que acopla la luz en la fibra nuevamente. Finalmente se detecta con un analizador de espectros ópticos (OSA). Las características detalladas de los dispositivos utilizados se encuentran descritas en la sección 6, por lo que sólo destacamos aquí algunos parámetros relevantes empleadas en estas medidas, como la intensidad de alimentación del SOA (600 mA) o la resolución (2 nm) y la sensibilidad (–60 dBm ) del OSA.

Figura 2.2: Esquema del montaje 1

El proceso de captura de las medidas consistía en colocar la cubeta en el camino de salida de la señal del SOA, enrasada una de sus caras con uno de los soportes de las lentes GRIN, de forma que la cubeta estuviese lo más perpendicular posible al haz de salida. Una vez hecho esto, sacábamos la cubeta, la vaciábamos, la limpiábamos con agua destilada y procedíamos a su secado con aire a presión.

La primera prueba se hizo con una cubeta de 1 cm de espesor, pero la atenuación del agua era tan elevada que no teníamos sensibilidad suficiente de detección. Así pues, pasamos al estudio con otras cubetas, las de 5 mm, 1mm y 0.1 mm. Las medidas realizadas con las dos cubetas más delgadas no permitían determinar Δα porque la diferencia de atenuación de una concentración a otra era tan pequeña, que el cálculo del coeficiente de absorción se veía muy afectado por las pequeñas diferencias producidas en las medidas. De esta forma, la única medida aceptable es la de la cubeta de 5 mm.

Siguiendo este proceso, con la cubeta de 5mm colocada entre las lentes GRIN realizamos las siguientes medidas:

• 5 medidas del espectro sin cubeta (de cara a realizar una estimación del error debido a variaciones temporales de la fuente).

• 5 medidas con la cubeta vacía (de esta forma podemos hacer una estimación del error debido al posicionamiento de la cubeta).

Estas dos primeras medidas no son necesarias para la evaluación del coeficiente de absorción del agua pero resultarán útiles para determinar algunos efectos y para comprobar las pérdidas debidas a la cubeta.

• 5 medidas con agua destilada. • 5 medidas con la disolución del 1%. • 5 medidas con la disolución del 5%. • 5 medidas con disolución del 10%.

Una vez hecho esto promediábamos entre sí cada bloque de 5 medidas. Además, la diferencia de cada medida con el valor medio la pasamos a un fichero, con ellas, podemos estimar el error en la medida producido por las pequeñas diferencias en el posicionamiento de la cubeta.

2.3 Medidas realizadas

Para realizar una estimación de la precisión del método, hicimos una estimación del error asociado a cada medida y cada cálculo. En este caso, la precisión con que fueron realizadas estas medidas se estima como la desviación típica de la media de las medidas tomadas para el máximo (aproximadamente 1575 nm), calculando este valor para cada concentración multiplicado por el factor estadístico de Student para una cobertura del 95 % para cinco medidas podemos decir que la “precisión” del método de medida (sobre la medida de la potencia en mW) es del ± 4% para la medida del agua destilada, del ± 3 % para la disolución del 1% de sal en agua, del ± 3 % para la del 5% y del ± 1 % para la disolución del 10% de sal en agua.

Así pues, realizamos las siguientes medidas: Cubeta de 5mm -70 -66 -62 -58 -54 -50 -46 -42 -38 -34 -30 -26 1400 1450 1500 1550 1600 1650 Longitud de onda (nm) Potencia (dBm)

Sin cubeta Cubeta vacía Agua destilada

Disolución del 1% Disolución del 5% Disolución del 10%

Figura 2.3.a: Medidas realizadas en el montaje 1 (Espectros de intensidad detectada para diferentes concentraciones en la cubeta de 5mm con resolución de 2 nm)

Cubeta de 1mm -55 -53 -51 -49 -47 -45 -43 -41 -39 -37 -35 -33 -31 -29 -27 -25 1400 1450 1500 1550 1600 1650 Longitud de onda (nm) Potencia (dBm)

Sin cubeta Cubeta vacía Agua destilada

Disolución del 1% Disolución del 5% Disolución del 10%

Figura 2.3.b: Medidas realizadas en el montaje 1 (Espectros de intensidad detectada para diferentes concentraciones en la cubeta de 1mm con resolución de 2 nm)

Detalle del pico -35 -34.5 -34 -33.5 -33 -32.5 -32 -31.5 -31 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 1570 1575 Longitud de onda (nm) P o ten c ia (d Bm )

disolución del 1% disolución del 5% disolución del 10% agua destilada

Figura 2.3.c: Detalle de las medidas realizadas en el montaje 1 para la cubeta de 1mm con diferentes concentraciones de sal en agua con resolución de 2 nm.

NOTA: El rizado del espectro se debe al efecto Fabry-Pérot, consistente en la reflexión parcial de la luz en las caras paralelas de las superficies de separación de dos medios. En este caso, la medida del espectro sin cubeta nos indica que el rizado viene producido por una reflexión interna en el propio SOA.

2.4 Resultados y conclusiones

A partir de los datos obtenidos para la cubeta de 5 mm calculamos Δα de la forma explicada anteriormente (hacemos el cálculo con esta cubeta porque cuanto mayor es L, mayor es la precisión con que medimos la atenuación dado que el cociente entre potencias es mayor (ver figura 2.4.a).

Nuevamente estamos interesados en estimar la precisión con que obtenemos los datos. Para ello, utilizamos el método de propagación de errores aplicado a las fórmulas que hemos utilizado, teniendo en cuenta el ya comentado error en la medida. Con estas premisas, obtenemos una precisión en la medida de Δα del entorno de ± 1 cm-1

.

A continuación, hacemos una estimación de α por el método explicado y a partir de las medidas realizadas. Con los datos correspondientes a las cubetas de 1mm y 5 mm (ya que a mayor ΔL más precisión tenemos en la medida de atenuación (ver figuras 2.4.b y 2.4.c).

Δα (α disolución− α destilada) -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 Longitud de onda (nm) Δα (cm -1 )

1%/destilada 5%/destilada 10%/Destilada Figuras 2.4.a: Δα calculado para las diferentes disoluciones.

α 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1500 1550 1600 1650 Longitud de onda (nm) α (cm -1 ) agua 1% 5% 10%

Figura 2.4.b: Coeficiente de absorción calculado para las distintas disoluciones.

Además, podemos comprobar las medidas obtenidas sin más que comparar el resultado del coeficiente de absorción obtenido por este método para el agua destilada con lo publicado en la bibliografía (Wieliczka).

Comprobación del método

0 5 10 15 20 25 30 35 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 Longitud de onda (nm) α (cm -1 )

Coeficiente de absorción del agua curva publicada en la bibliografía

Figura 2.4.d: Comparación de α experimental y la curva obtenida de la bibliografía De la inspección de la gráfica se llega a la impresión de que, el método parece bastante correcto, teniendo un pequeño desacuerdo entre ambas experiencias para longitudes de onda cortas, probablemente provocado por el hecho de que nuestro sistema produce muy poca luz en esa zona, llevando a una imprecisión en las medidas en la zona de 1500 a 1550 nm, afortunadamente, la zona de interés para las medidas realizadas se encuentra en longitudes de onda más largas, siendo la diferencia media entre ambas medidas del entorno del 5 %.

En este caso, la estimación de los errores asociados a este método de medida, vuelven a ser calculados por propagación de errores, siendo el resultado de ±0.2 cm-1

el error obtenido para el cálculo del coeficiente de absorción del agua, de ±0.2 cm-1

para las disoluciones del 1% y el 5% de sal en agua y de ±0.1 cm-1

para la disolución del 10%.

3. Medidas por intracavidad en láser de anillo

Una vez que disponíamos de las medidas realizadas con el montaje 1, llevamos a cabo las medidas de coeficientes de absorción por medio de la técnica de espectroscopia intracavidad láser.

3.1 Descripción del método

De cara a estudiar el comportamiento del montaje utilizado necesitamos realizar un modelo del comportamiento del láser. Partimos de un modelo de láser sencillo basado en ecuaciones de balance de las poblaciones y del número de fotones en la cavidad (Svelto) y suponemos, por simplicidad, que el medio activo se comporta siguiendo un sistema de cuatro niveles ideal. Despreciando efectos de saturación de la señal, la inversión de población en un sistema de cuatro niveles ideal podemos expresarla como p p T R 1 R N N τ + τ = , (3.1)

siendo NT la concentración de átomos / iones / portadores del medio activo, τ el tiempo de vida media de la transición láser y Rp la probabilidad de bombeo, la cual es proporcional a la intensidad eléctrica de bombeo Ip. Es decir,

p p p k I R = , (3.2) p p p p T I k 1 I k N N τ + τ = . (3.3)

Normalmente, esta expresión puede aproximarse por

I k N

N≈ _Tτ _{p p} . (3.4)

Una vez que conseguimos emisión láser, la inversión de población N se mantiene constante y se denomina inversión de población crítica Nc. Entonces, la ganancia del medio activo resulta ser

L)G=exp(σeNc , (3.5)

donde σe es la sección eficaz de emisión para la longitud de onda de la emisión láser y L es la longitud del medio activo. Como la ganancia debe compensar las pérdidas de la cavidad, entonces

1

GT= , (3.6)

donde T es el factor de transmisión de la cavidad por vuelta (por paso si la cavidad fuese lineal), el cual podemos expresar en la forma

) (-exp ) exp( α_c α_l T = − , (3.7)

donde α es el coeficiente de atenuación del agua (con o sin sal) de la cubeta, _l es la longitud de la cubeta y exp(−α_c) es el es el factor de transmisión del resto de la cavidad. Por tanto,

1 L) N ( )exp - (-exp α_c α_l σ_{e c} = , (3.8) o bien, l α α σ_eN_cL= _c + . (3.9)

La potencia de salida del láser en este modelo es

) I I (

P_s =η_{s p} − _p,th . (3.10)

donde ηs se denomina eficiencia de salida del láser e Ip,th es la intensidad de bombeo

umbral, es decir, la intensidad de bombeo necesaria para conseguir la inversión de población crítica. De esta forma podemos medir ambas magnitudes sin más que calcular la pendiente de la recta de emisión del láser (ηs) y el corte de la recta con el eje de abscisas (Ip,th). Empleando las ecuaciones (3.4) y (3.9)

L k N I p T e th p, σ τ α α + _l = c . (3.11)

Es importante resaltar el hecho de que la intensidad umbral aumenta linealmente con α. Por último, la eficiencia de salida de láser resulta ser

l α α τ ν σ ν η + = = c e e e s h cte h cte N k L I p T th p, (3.12)

donde νe es la frecuencia óptica de emisión del láser.

Como vemos, y al contrario de lo que ocurre con la intensidad umbral, la eficiencia del láser disminuye al aumentar α. Conviene explicar que la constante solo engloba parámetros que no cambian a lo largo del montaje. También es importante resaltar que el modelo considera que νe no depende de α, sin embargo, este no es nuestro caso (como veremos).

Si ahora tenemos en cuenta que nuestra cavidad no posee elementos selectores, la longitud de onda puede variar a lo largo del perfil de ganancia del medio con las condiciones de trabajo, como por ejemplo, al variar las pérdidas en la cavidad por medio de la variación de la concentración de sal en agua. Además, el perfil de ganancia puede variar debido a los efectos de saturación por la señal. De esta forma, supongamos ahora que nuestro láser cambia su longitud de onda de emisión cuando modificamos las pérdidas de la cavidad. Entonces, habiendo hecho dos medidas, una con agua destilada (indicadas en las fórmulas con el sufijo d) y otra con una disolución:

d , e e c d c th p, d th, p, I I σ σ α + α α + α = l l _{. (3.13)} l l l l l l d c c d c c d , e e d c c e d , e s d , s α + α α + α ≈ α + α α + α λ λ = α + α α + α ν ν = η η (3.14)

Teniendo en cuenta lo dicho anteriormente el coeficiente de absorción disminuirá conforme aumenta la concentración de sal en el agua (αd > α), esto hará,

según lo visto en la ecuación (3.14) que la eficiencia sea más alta conforme la concentración de sal sea más alta.

De lo dicho se desprende que la intensidad de bombeo umbral puede no cambiar siempre que el medio modifique la longitud de onda de emisión, de forma que entonces los valores de las secciones eficaces verifiquen

d s s c d c e d e , , η η α α α α σ σ ≈ + + = l l _(3.15) o bien cteσeηs ≈ (3.16)

al modificar el coeficiente de absorción (concentración de sal).

Así pues, en un láser como el que hemos montado, la longitud de onda de emisión no está fijada por un resonador, sino que puede variar produciéndose emisión láser para todas aquellas longitudes de onda en que las pérdidas se igualen a la ganancia. De esta forma, al introducir pérdidas el pico de emisión puede desplazarse (ver figura 3.1.a). Nosotros comprobamos que en nuestro caso la introducción de diferentes concentraciones produce un desplazamiento del pico de hasta 10 nm hacia longitudes de onda más cortas. Este efecto se ha comprobado midiendo espectros variando las pérdidas de la cavidad con un atenuador variable por curvatura (sección 6).

Figura 3.1.a: Esquema conceptual del desplazamiento del pico por introducción de pérdidas adicionales en la cavidad de un láser.

Es importante remarcar el hecho de que la modificación en la longitud de onda de emisión es pequeña, de forma que la variación que esto produce en el umbral es pequeña, sin embargo, afecta mucho a la sección eficaz de transmisión por lo que la eficiencia se ve muy afectada por este cambio.

Por otro lado, según la ecuación (3.14),

l l d c d s d s α α α α η η + − − =1 ( ) , (3.17)

lo que puede ajustarse a una recta de la forma

px 1

y= + (3.18)

y s d , s _≡ η η (3.19) x ) (α_d −α _l≡ (3.20) d d c G p ln 1 1 − = + − ≡ l α α (3.21)

Siendo Gd la ganancia con la cubeta de agua destilada. De esta expresión podemos comprobar que el cociente de eficiencias con agua destilada o con una disolución depende linealmente de la diferencia entre los coeficientes de absorción de la disolución y del agua. De esta forma, a partir de las medidas de eficiencia podemos determinar la diferencia de coeficientes de absorción. Para conseguir que la eficiencia del método de medida sea mejor es necesario que la pendiente sea lo más grande posible, de forma que una pequeña diferencia de coeficientes se traduzca en una gran diferencia de eficiencias. Por tanto vuelve a interesarnos (ver sección 1.2) que Gd sea muy cercana a 1.

3.2 Montaje experimental

De cara a realizar las medidas descritas, cerramos el anillo por medio del acoplador, realimentando con el noventa por ciento de su propia salida para poder introducir pérdidas más altas ya que la ganancia máxima del SOA es limitada. Además, haciendo esto nos situamos en la zona donde la ganancia es más cercana a la unidad y por tanto la sensibilidad del método es mejor.

Así pues, el sistema es un láser de anillo donde introducimos las pérdidas adicionales con la cubeta de agua cuyo espectro de emisión es el presentado en la figura 3.2.b (para 600 mA de alimentación y sin cubeta de agua):

Espectro del láser

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1500 1520 1540 1560 1580 1600 Longitud de onda (nm) Potencia (dBm)

Figura 3.2.b: Espectro del láser de anillo (con resolución de 0.05 nm).

Remarcaremos dos comentarios con respecto a esta gráfica. Uno es el hecho de que el perfil del láser es muy ancho debido a que el perfil de ganancia lo es y el láser oscila en régimen multimodo (con miles de modos longitudinales). El otro es que el pico se desplaza hacia la izquierda cuando aumentamos la intensidad de alimentación (como se puede ver en la sección 6). También interesa comentar que dada la anchura del perfil, cuando nosotros hacemos referencia a una longitud de onda de emisión, nos referimos al valor central del pico.

3.3 Medidas realizadas

Tanto para el agua destilada como para las concentraciones del 1%, 5%, 10% de riqueza en peso de sal en agua medimos cinco veces las rectas que se producen por la emisión del láser (potencia a la salida en función de la corriente de alimentación), cuando las pérdidas son producidas por la cubeta de 1 mm y promediamos los resultados obtenidos. La razón de escoger esta cubeta es que la sensibilidad con una cubeta más delgada es demasiado baja debido a que la variación de potencia es menor, y

con una mayor las pérdidas resultan excesivas por lo que el medio no tiene suficiente ganancia como para compensar las pérdidas y el sistema no emite luz láser.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 410 430 450 470 490 510 530 550 570 590 610

Intensidad de alimentación (mA)

Potencia detectada (m

W)

destilada 1 10 5

Lineal (destilada) Lineal (1) Lineal (5) Lineal (10)

Figura 3.3: Curvas de emisión del láser con pérdidas producidas por la cubeta de 1mm con diferentes concentraciones de sal en agua.

3.4 Resultados y conclusiones

A partir de estos datos podemos calcular la eficiencia (cociente entre la potencia emitida y la intensidad de bombeo del láser) y el umbral (corte de la recta con el eje x) en función de la concentración de sal en el agua.

Concentración Eficiencia del láser (mW/A) Intensidad umbral (mA)

0 (agua) _11.5 ± 0.3 314 ± 13

1% _11.5 ± 0.3 311 ± 18

5% _13.9 ± 0.3 303 ± 10

Los errores que figuran en la tabla han sido calculados por propagación de errores a partir de las desviaciones típicas calculadas por el método de mínimos cuadrados con respecto al ajuste de los datos (supuestos sin error) a una recta.

Es interesante pensar el motivo de que varíe la eficiencia pero no lo haga el umbral. En un modelo con longitud de onda de emisión fija, tanto la eficiencia como el umbral varían de forma directa con α, sin embargo, si ampliamos el modelo hay que tener en cuenta el efecto que produce la variación de la longitud de onda de emisión del pico del láser. También hay que tener en cuenta que el modelo funcionará bien cuando el ensanchamiento sea homogéneo y en el SOA predomina un carácter inhomogéneo (nosotros observamos con claridad este fenómeno en los perfiles de láser que medimos, ver figura 3.2.b).

Ahora, de cara a visualizar el efecto producido en la eficiencia del láser por la introducción de pérdidas adicionales en la cavidad dibujamos la eficiencia en función del coeficiente de absorción del medio (para una longitud de onda de 1540 nm que es donde se sitúa aproximadamente el pico del láser cuando la cubeta está llena). Nos abstenemos de dibujar el comportamiento del umbral ya que, con nuestra precisión, podemos considerar que permanece aproximadamente constante.

eficiencia vs absorción 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 13 13.1 13.2 13.3 absorción (1/cm) Eficiencia (mW/A)

Lo primero que vamos a hacer es comprobar el ajuste entre el modelo propuesto y los datos experimentales obtenidos, para ello hacemos una gráfica del cociente de la eficiencia que obtenemos con cada disolución y con agua destilada frente a la diferencia en los coeficientes de absorción que medimos por medio del montaje 1 para ambos casos:

Figura 3.4.b: Cociente de eficiencias frente a diferencia de absorciones entre una disolución y agua destilada y ajuste de los datos a una recta (resultado propuesto por el modelo).

Se puede comprobar (ecuaciones 3.18 a 3.21) que el modelo teórico proponía un comportamiento como el que se observa, lineal con pendiente negativa y con ordenada en el origen unidad, el único desacuerdo proviene del orden de magnitud de la pendiente, que, según el modelo, debería estar comprendida entre 0.3 y 0.8 en valor absoluto. El desacuerdo entre el modelo y los resultados experimentales proviene de lo comentado en las ecuaciones (3.15) y (3.16). Dado que observamos que el umbral permanece constante, significa que la eficiencia del láser está modificándose de manera continua al variar la longitud de onda de emisión del pico según variamos la concentración de sal (ecuación 3.15) ya que la sección eficaz variará a medida que lo haga λ.

Con todo, el hecho de que la sección eficaz pueda variar no afecta a nuestro método de medida. Para nuestros intereses, el hecho de que la pendiente que obtenemos

sea diez veces mayor de lo esperado no hace sino beneficiarnos ya que pequeñas diferencias en el coeficiente de absorción producen un cambio grande en la eficiencia del láser que sería lo que se midiese si se utilizase el método de intracavidad láser para medir coeficientes de absorción.

De esta forma, con este método, nosotros introduciríamos una muestra de coeficiente de absorción conocido en la cubeta y mediríamos la eficiencia, a continuación, en la misma cubeta introduciríamos una muestra de coeficiente de absorción desconocido. De la medida de la eficiencia relativa de ambas medidas frente a la absorción conocida podemos deducir la absorción del medio a estudio (será directamente proporcional a la pendiente de la recta). La precisión de la medida en este caso dependerá de la calibración que hagamos de nuestro láser, en nuestro caso, como hemos hecho sólo cuatro medidas la precisión con que mediríamos α sería del 20 % (error calculado por propagación de errores a partir de las desviaciones dadas por el ajuste por mínimos cuadrados de los puntos a la recta), sin embargo, si dispusiésemos de más puntos el ajuste sería más preciso y el error llegaría a ser muy pequeño.

4. Medidas por intracavidad en láser lineal

4.1 Descripción del método

Las diferencias fundamentales de este montaje frente al anterior residen en que este láser tiene una cavidad lineal con un selector de longitud de onda (una red de Bragg) que hace que la longitud de onda de emisión permanezca constante con independencia de las pérdidas que introduzcamos en la cavidad (aunque al tratarse de un láser sintonizable seamos capaces de modificar cual sea la λ emitida) .

Figura 4.1: Esquema conceptual del láser.

Como ya se comentó para el montaje anterior, el espejo de salida presenta una transmisión diferente de cero, pero con un alto coeficiente de reflexión de manera que la casi toda la luz que llega, vuelve a pasar por el medio amplificador, atraviesa la cubeta, se refleja en la red de Bragg (la longitud de onda reflejada depende del ángulo que forma la red con la dirección de incidencia de la luz) y vuelve a atravesar la cubeta y el medio amplificador de forma recurrente.

4.2 Montaje experimental

Así pues, con los elementos descritos en la sección 6 acoplamos un circuito eléctrico al láser sintonizable de manera que por medio de un potenciómetro controlamos la intensidad de alimentación del mismo. La salida del láser (por medio de fibra óptica), se lleva directamente al OSA, que está comandado por el ordenador.

La emisión de este láser es bastante ancha (ver figura 4.2.a) ya que presenta oscilación multimodo (longitudinal). Sin embargo, estos modos son debidos a reflexiones parásitas en las caras del chip y no de la cavidad, ya que la distancia entre picos es del entorno del nanómetro, lo que corresponde a una cavidad de longitud efectiva en torno al milímetro. Mediante un programa diseñado por nosotros comandamos el OSA desde un ordenador de forma que capturamos la longitud de onda para la que la potencia detectada es máxima λ 0. Medimos también la potencia detectada para esa frecuencia menos la potencia del fondo, calculando esta como la media entre las potencias detectadas para λ0-3.5 nm y λ0+3.5 nm. El problema, sin embargo, radica en el hecho de que λ0, dependiendo del pico que “gane” la competencia para unas pérdidas y una alimentación determinadas, puede variar en uno o dos nanómetros, aquí vuelve a jugar papel el hecho de que la sección eficaz (relacionada de manera directa con la ganancia del medio) depende fuertemente de la longitud de onda, falseando en parte nuestros datos.

Espectro del láser

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 Longitud de onda (nm) P o tenci a (dBm )

Figura 4.2.a: Espectro de emisión del láser para alimentación con 1V y con la cubeta de agua destilada medido con resolución de 2 nm

Detalle del pico -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1520 1522 1524 1526 1528 1530 Longitud de onda (nm) P o ten c ia (d Bm )

Figura 4.2.b: Detalle del pico del espectro medido con alimentación de 1V y con la cubeta con agua destilada medido con resolución de 0.06 nm.

4.3 Medidas realizadas

Con este montaje realizamos las medidas de la siguiente manera: Rellenamos la cubeta de 0.1 mm (la atenuación con las cubetas mayores era excesiva y la ganancia del medio no era suficiente para que se emitiese luz láser) con agua destilada y la colocamos enrasada con una referencia de manera que queda colocada perpendicularmente a la incidencia del haz láser. Tomamos la medida y la almacenamos, a continuación sacamos la cubeta, la recolocamos y aumentamos el voltaje de alimentación. Volvemos a medir y a almacenar la medida y continuamos aumentando el voltaje. De esta forma hemos medido la recta de emisión del láser en función del voltaje de alimentación. Repetimos cinco veces esta medida de cara a minimizar los errores por posicionamiento a través del promedio de las medidas. A continuación limpiamos la cubeta y realizamos el mismo proceso con una de las disoluciones. Para cada disolución medimos la recta de emisión láser, pero también medimos la recta de emisión láser para agua destilada. Ambas medidas se toman dejando transcurrir el menor tiempo posible, ya que necesitamos compararlas entre sí debido a que la emisión láser varía con el tiempo que lleve funcionando y con la temperatura exterior.

De esta forma, cada punto de cada recta se ha medido y promediado diez veces (para minimizar los errores provenientes de los efectos de fluctuación en la emisión del láser) y además cada recta se ha medido cinco veces, todo ello con una resolución de 2 nm.

Así pues tomamos los siguientes puntos de las curvas de emisión de láser y las ajustamos a una recta, a partir de la cual podemos calcular la eficiencia y el voltaje umbral (el voltaje de alimentación es proporcional a la intensidad de alimentación).

Agua y disolucíon del 1%

y = 0.3117x - 0.1999 y = 0.272x - 0.1309 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.98 1.18 1.38 1.58 Voltaje de alimentación (V) P o te nc ia e m it ida ( m W) Agua 1% Lineal (1%) Lineal (Agua)

Figura 4.3.a: Puntos experimentales de la curva de emisión del láser y ajuste a una recta de los mismos para el láser con pérdidas adicionales originadas por la presencia en la cavidad de la cubeta de 0.1 mm

con agua destilada y con la disolución del 1% de sal en agua.

Agua y disolución del 5%

y = 0.1939x - 0.069 y = 0.2339x - 0.1129 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.98 1.08 1.18 1.28 1.38 1.48 1.58 Voltaje de alimentación (V) P o ten c ia em itid a (m W ) 5% agua Lineal (5%) Lineal (agua)

Figura 4.3.b: Puntos experimentales de la curva de emisión del láser y ajuste a una recta de los mismos para el láser con pérdidas adicionales originadas por la presencia en la cavidad de la cubeta de 0.1 mm

Agua y disolución del 10%. y = 0.2519x - 0.1169 y = 0.215x - 0.0834 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.98 1.08 1.18 1.28 1.38 1.48 1.58 Voltaje de alimentación (V) P o te nc ia e m it ida ( m W) 10% Agua Lineal (10%) Lineal (Agua)

Figura 4.3.c: Puntos experimentales de la curva de emisión del láser y ajuste a una recta de los mismos para el láser con pérdidas adicionales originadas por la presencia en la cavidad de la cubeta de 0.1 mm

con agua destilada y con la disolución del 10% de sal en agua.

Aunque resulta evidente que el método no va a tener (con la cubeta que hemos utilizado) suficiente precisión para medir dado que, tanto con la disolución del 1% como con la del 5%, obtenemos el resultado de que el láser emite menos potencia con menos pérdidas lo que es una incongruencia. Vamos a realizar el análisis de los datos como si las medidas fuesen buenas de cara a estudiar el procedimiento a seguir con este método de medida que, aunque en nuestro caso no va a ser válido debido a que la ganancia de nuestro láser es pequeña y que por tanto las pérdidas que podemos introducir en la cavidad son muy pequeñas y por tanto difíciles de medir, el método aparentemente será válido con un montaje en que la ganancia sea mayor.

4.4 Resultados y conclusiones

Así pues, a partir de estos datos podemos calcular el cociente entre las eficiencias y la diferencia en los voltajes umbral entre una determinada disolución y agua destilada con respecto a la concentración de sal en agua.

Concentración η_disolución /η_destilada (Vumbral (disol)-Vumbral (destil))(V)

1% _1.15 ± 0.06 0.16 ± 0.07

5% _0.83 ± 0.06 -0.13 ± 0.09

10% _1.17 ± 0.07 0.08 ± 0.08

Los errores que figuran en la tabla han sido calculados por propagación de errores a partir de las desviaciones típicas calculadas por el método de mínimos cuadrados con respecto al ajuste de los datos (supuestos sin error) a una recta.

Es evidente que el método no reporta resultados satisfactorios. La evolución de los datos con la concentración es impredecible. Todo esto sumado a los otros problemas ya mencionados nos llevó a intentar repetir las medidas, en este caso midiendo la potencia total del espectro, en lugar del valor del pico. El resultado volvió a ser insatisfactorio dado que observamos que la potencia total se conservaba y que el “problema” residía en el cambio espectral de la emisión láser:

Curva de emisión láser midiendo la potencia total

y = 0.5115x - 0.2349 y = 0.5281x - 0.2537 y = 0.5082x - 0.229 y = 0.5153x - 0.2637 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 Voltaje de bombeo (V) Potencia emitida (mW) 1% destilada del 5 5%

10% Lineal (1%) Lineal (destilada del 5) Lineal (5%) Lineal (10%)

5. Conclusiones

Para que la espectroscopia intracavidad manteniendo fija la longitud de onda de emisión sea utilizada de forma ventajosa frente a las técnicas estándar, la ganancia del medio activo debe ser cercana a la unidad, ya que de esta forma ganamos sensibilidad. Sin embargo, en esas condiciones la cavidad tolera muy pocas pérdidas adicionales y por tanto su rango de aplicación se limita a muestras con no demasiada atenuación. Esto es, no puede emplearse con muestras demasiado gruesas o con materiales cuyo coeficiente de absorción sea elevado. No obstante, el método puede aplicarse con ganancias más altas pero sin ventaja frente al método convencional. En ambos casos, existe el inconveniente de tener que medir el coeficiente de absorción para cada longitud de onda por separado.

En el caso de la espectroscopia intracavidad con longitud de onda de oscilación libre, ganamos sensibilidad en la medida frente a las otras técnicas gracias a la variación que se produce en las secciones eficaces. Así pues, no estamos limitados a emplear cavidades con ganancia cercana a la unidad y, por tanto, el sistema tolera más pérdidas. No obstante, si la ganancia difiere mucho de la unidad, su rango de aplicación se limita a muestras con no demasiada atenuación. Frente a las técnicas estándar, es posible medir con suficiente precisión muestras con menor atenuación (más delgadas o con menor coeficiente de absorción). Como en el caso anterior, sólo podemos medir el coeficiente de absorción para cada longitud de onda por separado.

La experiencia, a título personal, ha sido muy gratificante, adentrándome en el método de trabajo que se viene realizando en el Departamento de Física Aplicada y visualizando efectos que me habían sido descritos en las clases teóricas de diferentes asignaturas. Además de instructivo en ese sentido, el trabajo ha resultado ameno, gracias a la posibilidad de realizar varios montajes y de haber desarrollado por añadidura, mis conocimientos de programación. Así pues, mi valoración del TAD es francamente positiva.

6. Equipo experimental y preparación de las muestras

SOA (Semiconductor Optical amplifier). (COVEGA, modelo 1013)

Disponemos de un amplificador óptico de semiconductor en el que podemos controlar la alimentación y que dispone de un controlador de temperatura (cooler) por efecto Peltier, La pastilla semiconductora en sí está inmersa en un “butterfly package” o chip de catorce patas y cuenta con aisladores ópticos, lo que evita el “hole burning” espacial. Tiene una ganancia espectral que hemos medido con el OSA (en función de la intensidad de alimentación del SOA) y una ASE (Amplified Spontaneous Emission; emisión espontánea amplificada) que también conocemos (hemos medido la potencia total con un detector ADVANTEST, para diferentes intensidades de alimentación).

-40 -30 -20 -10 0 10 20 1450 1500 1550 1600 1650 Longitud de onda ( nm ) Ganancia ( dB )

Figura 6.1: Espectro de ganancia del SOA, medida con resolución de 1nm.

0 3 6 9 12 15 18 1450 1500 1550 1600 1650 Longitud de onda ( nm ) Ga na nci a ( dB )

Es importante comentar la gráfica 6.2. En ella, se observa que, aparte de que la ganancia aumente con la intensidad de alimentación, la longitud de onda para la que se da el máximo se desplaza hacia la izquierda cuando aumentamos la intensidad de alimentación.

ASE del SOA

-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 Longitud de onda (nm) Po ten c ia (d B m )

50mA 100mA 150mA 200mA 250mA 300mA 350mA

400mA 450mA 500mA 550mA 600mA

Figura 6.3: ASE (Amplified Spontaneous Emission) del SOA, con resolución de 1nm.

Colimador (lentes GRIN)

Se trata de un sistema formado por dos lentes GRIN (de gradiente de índice), colocadas de forma que en el espacio entre ellas (2 cm en nuestro caso) la luz que proviene de la fibra óptica (y vuelve a parar a ella) forma un haz colimado. De esta forma, podemos introducir en el camino óptico formado por la fibra algún elemento (en nuestro caso serán las cubetas a las que ya se ha hará referencia más tarde).

OSA (Optical Spectrum Analyzer).

El equipo utilizado es un Agilent 8614XB, capaz de medir entre 700 y 1700 nm con una resolución de hasta 0.06 nm. En la zona del espectro en que nosotros medimos, el aparato presenta una sensibilidad máxima de –90 dBm. Para hacernos una idea de cómo funciona, se trata fundamentalmente de un elemento dispersivo con rendijas de entrada de tamaño variable y un detector de potencia. La señal, introducida en el aparato de medida por medio de un conector de fibra óptica, pasa a través de la rendija y se selecciona una longitud de onda. Es importante resaltar el hecho de que la detección de

la potencia asociada a cada longitud de onda se produce en paralelo, mediante una matriz de detectores, lo que hace mucho más rápido el proceso de detección.

Láser sintonizable

Se trata de un láser de semiconductor en el que la cavidad está formada por un espejo multicapa (en la salida del láser) y una red de difracción (en el otro extremo). Mediante el giro de la red de Bragg se puede seleccionar la longitud de onda resonante en la cavidad.

Figura 6.4: Láser sintonizable.

Tomamos algunas medidas del espectro de éste láser para distintas posiciones de la red de Bragg (sin cubeta), y para distintos voltajes de alimentación. Los espectros están tomados con el OSA, con una resolución de 0.06 nm y una sensibilidad de –65 dBm. (Para saber más detalles sobre la alimentación del láser consultar la sección montaje 3 en el apartado de medidas).

Detalle: Cubeta

Red de Bragg

Punto de giro Salida del láser (directamente _{conectado a la fibra óptica)}

Pastilla de semiconductror (medio activo)

Pico 1527 nm- alimentación 1V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) P o ten c ia (d Bm ) Pico 1527 nm- alimentación 1.5V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) Pote nc ia (dBm ) Pico 1527 nm- alimentación 2V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) P o ten c ia (d Bm )

Figura 6.5a: Espectros de emisión del láser sintonizable, medidos con el SOA para el láser emitiendo en el mismo pico en que se realizarán las medidas de absorción (1527nm), con resolución 0.06 nm.

Pico 1519 nm- alimentación 1V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) Pot e nc ia ( d B m ) Pico 1519 nm- alimentación 1.5V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) P o ten c ia (d B m ) Pico 1519 nm- alimentación 2V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) P o te n c ia (d B m )

Figura 6.5b: Espectros de emisión del láser sintonizable, medidos con el SOA para el láser emitiendo en un pico diferente al que se realizarán las medidas de absorción (1519nm), con resolución 0.06 nm.

Pico 1551 nm- alimentación 1.5V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) Po te n c ia ( d B m ) Pico 1551 nm- alimentación 2V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) P o te n c ia (d B m ) Pico 1551 nm- alimentación 3V -65 -55 -45 -35 -25 -15 -5 5 1460 1480 1500 1520 1540 1560 Longitud de onda (nm) P o tenci a (dBm )

Figura 6.5c: Espectros de emisión del láser sintonizable, medidos con el SOA para el láser emitiendo en un pico diferente al que se realizarán las medidas de absorción (1551nm), con resolución 0.06 nm.

Cubetas

Después de una serie de pruebas en las que estimamos el espesor óptimo de agua que nos permitiese trabajar en los montajes que describiremos en sus secciones correspondientes, fabricamos una serie de cubetas de vidrio a partir de portaobjetos y cubreobjetos de microscopio. Las que al final fueron utilizadas tenían grosores de 0.1 mm, 1 mm y 5 mm.

Preparación de las disoluciones.

Las disoluciones fueron preparadas a partir de agua destilada y sal marina comercial, pesando la cantidad de soluto en una balanza de precisión y midiendo el volumen de disolvente (de densidad 1) en una bureta. Con la precisión determinada por estos elementos de medida se llevaron a cabo disoluciones del 1%, 5% y 10% en peso.

Espectros del láser de anillo con pérdidas adicionales producidas con un atenuador por curvatura.

Se puede demostrar que la introducción de una curvatura adicional en la fibra óptica modifica el espectro de la luz transmitida a través de la misma debido al aumento de pérdidas que ésta produce.

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1450 1500 1550 1600 Longitud de onda (nm) Potencia (dBm)

Sin curvatura Curvatura 1 Curvatura 2 Curvatura 3

Figura 6.6: Espectros de emisión del láser de anillo con pérdidas adicionales introducidas por medio del atenuador por curvatura, medidas con resolución de 0,06 nm.

7. Bibliografía y referencias

• M. Niemz: “Laser-Tissue Interactions” Second, revised edition, Springer 2002. • D. M. Wieliczka and S. Weng and M. R. Querry, "Wedge shaped cell for highly

absorbent liquids: infrared optical constants of water," Appl. Opt., 28, 1714-1719, (1989).

• W. Schmidt: “Optical Spectroscopy in Chemistry and Life Sciences” Wiley-vch verlag 2005.

• W. Demtröder: “Laser Spectroscopy”, Springer 1998.