INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS
Sección De Estudios De Posgrado E Investigación Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica
“Efectos de Bioestimulación sobre el Crecimiento de Semillas de Trigo
empleando Láseres de Diodo Pulsados de 904 nm”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS
PRESENTA:
ING. SONIA MARLENE CARRILLO RIVAS
ASESOR:
DR. ALEXANDRE MICHTCHENKO
IV
AGRADECIMIENTOS
Socorro Rivas Montenegro
Mi madre, que con gran esfuerzo pusiste todo tu empeño para que yo pudiera lograr hasta ahora todas mis metas, por apoyarme incondicionalmente en todas mis decisiones, por creer en mí, por ser una gran amiga, por el gran amor y comprensión que siempre me has brindado. Agradezco cada momento en el que estuviste a mi lado incentivándome a terminar este trabajo.
M. Gaston Salinas Carpio
Mi esposo, porque siempre me has causado gran admiración siendo para mí un gran ejemplo a seguir. Gracias por el amor que me has brindado todos estos años. Agradezco toda la confianza que has depositado en mí, por todas tus recomendaciones y consejos y sobre todo por el apoyo incondicional que siempre tienes para mí. Por ser un excelente compañero y por llenar mi vida cada día de alegrías, amor y satisfacciones.
Dey y Vane Rivas M.
Mis hermanas, por creer en mí como lo hacen, por toda la alegría que traen a mi vida, por los valiosos consejos y por siempre acompañarme siempre en cada logro de mi vida. A Vane por ser más que mi hermana una madre y estar siempre al pendiente de mi. A Dey por ser mi mejor amiga y por tu valiosa confianza. Agradezco que compartan conmigo todas sus ilusiones.
Alfonso Rivas y Marco A. Pacheco
Mis hermanos, por el apoyo y confianza brindados. A Alfonso por el esfuerzo que has puesto por recuperar el tiempo perdido y ser el gran hermano que ahora eres, por darme el ejemplo de ser muy trabajador y que se puede lograr cualquier cosa que te propongas. A Marco, por ser más que mí cuñado mí hermano, por cuidarme, por tus valiosos consejos, por esa alegría por la vida que siempre te ha caracterizado, por ser un excelente ser humano.
Antonio González M.
Mi amigo, por esa gran amistad que hemos cultivado. Agradezco todo el apoyo que me brindas sin condiciones, por estar al pendiente de mí, por tus preocupaciones y cariño, por hacer de mi estancia en la maestría más amena.
Alexandre Michtchenko
Mi asesor de tesis, por haber creído en mi todos estos años, por brindarme las herramientas necesarias para desarrollar y concluir con éxito este trabajo. Por impulsar mí desarrollo en la investigación. Agradezco toda la confianza recibida.
V E. Zoe Arroyo y Elda R. González
Mis amigas y compañeras de cubículo, por las horas que compartimos juntas. Agradezco a Zoe por la amistad que hemos conseguido durante estos dos años, por ser tan alegre y trabajadora. A Elda por ser una gran amiga y por el apoyo moral que siempre he recibido de ti.
Mauricio Hernández V.
Amigo y compañero de trabajo. Por todas las herramientas y conocimiento que me brindaste durante el último año para poder concluir esta tesis y por hacer mi estancia en los pesados más alegre.
Santiago Mera C.
Mi mejor amigo, por todas las aventuras que hemos pasado juntos desde la licenciatura, por ser quien siempre está dispuesto a ayudar. Agradezco mucho tu amistad incondicional.
José Luis López Bonilla
Profesor y amigo, por su solidaridad, ayuda y consejos.
Raúl Peña, Roberto Linares, Héctor Caltenco, Francisco Gallegos, Sergio Vidal Profesores de la maestría. Gracias por el apoyo recibido.
VI
INDICE
INDICE ... VI GLOSARIO DE TÉRMINOS ... VIII ÍNDICE DE FIGURAS ... IX ÍNDICE DE TABLAS ... XI RESUMEN ...12 ABSTRACT ...13 OBJETIVO ...14 JUSTIFICACIÓN ...14
CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE...15
1.1INTRODUCCIÓN... 15
1.2ESTUDIO BIBLIOGRÁFICO... 15
1.3FITOCROMOS... 20
1.4FACTORES IMPORTANTES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE BIOESTIMULACIÓN... 21
CAPITULO 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL LÁSER DE DIODO...26
2.1INTRODUCCIÓN... 26
2.2PROPIEDADES BÁSICAS DE LA LUZ LÁSER... 26
2.2.1 Estructura Básica de un Láser... 29
2.3LÁSER DE DIODO... 31
2.3.1 Ventajas y desventajas del láser de diodo ... 31
2.3.2 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo... 32
2.3.3 Homoestructruras y Heteroestructuras en un láser de diodo ... 33
2.3.4 Características eléctricas y ópticas de un láser de diodo a considerar en el diseño del controlador y fuente de alimentación... 34
2.4 DIFERENCIA ENTRE LUZ CONTINUA Y PULSADA... 38
CAPÍTULO 3. EQUIPO DE FOTOBIOESTIMULACIÓN ...40
3.1INTRODUCCIÓN... 40
3.2FUENTE DE ALIMENTACIÓN Y CONTROL DEL LÁSER DE DIODO PULSADO... 40
3.2.1 Características Ópticas y Eléctricas del Diodo Láser utilizado ... 40
3.2.2 Fuentes de alimentación de voltaje y corriente ... 42
3.2.3 Circuito de Control de Láser Pulsado ... 49
3.2.4 Circuito de Retroalimentación por fotodiodo ... 51
3.2.4 Circuito Final Propuesto... 52
3.3CARACTERIZACIÓN DEL LÁSER DE DIODO... 55
3.3.1 Medición del ancho del pulso del láser pulsado con λ=904nm ... 55
3.3.2 Medición del patrón de radiación del diodo láser pulsado con λ=904nm ... 59
VII
CAPITULO 4. MATERIALES Y MÉTODOS ...67
4.1INTRODUCCIÓN... 67
4.2 DEFINICIÓN DE LOS TRATAMIENTOS CON RADIACIÓN LÁSER... 67
4.2.1 Intensidad de Radiación ... 67
4.2.3 Tratamientos aplicados al objeto biológico... 71
4.2.4 Dosis aplicada al objeto biológico ... 71
4.3DISEÑO EXPERIMENTAL:MATERIAL YCONDICIONES EXPERIMENTALES... 72
4.3.1 Elección del objeto biológico... 72
4.3.2 Diseño Experimental ... 73
CAPÍTULO 5. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS Y RESULTADOS ...76
5.1INTRODUCCIÓN... 76
5.2PROCESAMIENTO DE LOS DATOS... 76
5.3RESULTADOS... 79
5.3.1 Resultados para la Intensidad de I = 0.95 mW/cm2... 79
5.3.2 Resultados para la Intensidad de I = 1.9 mW/cm2... 86
5.3.3 Resultados para la Intensidad de I = 3.8 mW/cm2... 93
DISCUSION DE RESULTADOS ...100 CONCLUSIONES ...102 TRABAJO A FUTURO ...103 REFERENCIAS...104 ANEXO1. ... 107 ANEXO2. ... 110 ANEXO3 ... 113
VIII
Glosario de Términos
nm nanómetros.
λ Longitud de onda de la luz. Sus unidades son los nanómetros (nm).
He-Ne Láser de Helio-Neón.
I Intensidad de radiación. Sus unidades se expresan en [W/cm2].
t Tiempo de aplicación de la radiación láser. Sus unidades son los segundos [s].
P Potencia [W]
D Dosis de energía por centímetro cuadrado [J/ cm2].
Fitocromo Proteína fitocrómica foto-receptora cuyos orígenes han sido trazados a partir de los procariontes fotosintéticos.
Material P Material semiconductor en el cual hay un mayor número de huecos.
Material N Material semiconductor en el cual hay un mayor número de electrones.
Región PN Es el punto de unión en donde se une el material P y el material N.
Láser Acrónimo de la palabra Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
IR Radiación infrarroja.
CW Onda continua.
CA Corriente alterna.
CD Corriente directa.
GaAs Material semiconductor de Arseniuro de Galio.
AlGaAs Material semiconductor de Arseniuro de Galio Aluminio.
Plúmula Pequeño brote de planta, que durante la germinación proporcionará el tallo y las hojas.
IX
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Espectro de absorción de los fitocromos ... 21
Figura 1.2 Efectos de bioestimulación en función de la longitud de onda para un cultivo de E.coli cuando la intensidad y el tiempo son constantes y la longitud de onda varia... 22
Figura 1.3 Efectos de la bioestimulación en función del tiempo de irradiación en el crecimiento de bacterias de E.coli ... 23
Figura 1.4 Efectos de la bioestimulación en función de distintas longitudes de onda e intensidades en el crecimiento de bacterias de E.coli... 24
Figura 1.5 Respuesta de estimulación para los sistemas biológicos. ... 25
Figura 2.1 Esquema del espectro electromagnético desde la región del ultravioleta hasta el infrarrojo ... 27
Figura 2.2 Proceso de Absorción... 28
Figura 2.3 Emisión espontánea... 28
Figura 2.4 Emisión estimulada. ... 29
Figura 2.5 Componentes principales del láser... 30
Figura 2.6 (a) Estructura Láser Homounión (b) Estructura Láser Heterounión ... 33
Figura 2.7 Gráfica de potencia contra corriente en un diodo láser ... 34
Figura 2.8 Efectos de la temperatura sobre la corriente. ... 35
Figura 2.9 Divergencia del Haz en un Diodo Láser... 37
Figura 2.10 Astigmatismo del Haz en un Diodo Láser ... 38
Figura 2.11 Comparación de Luz Pulsada con Luz Continua... 38
Figura 3.1 Regulador LM317 configurado como fuente de voltaje. ... 42
Figura 3.2 Fuente de Voltaje con circuito de protección ... 43
Figura 3.3 Fuente de Voltaje con encendido lento ... 44
Figura 3.4 Regulador LM317 configurado como fuente de corriente. ... 45
Figura 3.5 Fuente para incrementar corriente con limitación de corriente. ... 48
Figura 3.6 Fuente de alimentación de tensión ajustable y encendido lento con circuito para incrementar la corriente y limitación de corriente. ... 48
Figura 3.7 Diagrama de terminales del PIC18F452 ... 50
Figura 3.8 Diagrama de conexiones del controlador para tiempos de radiación y frecuenci ... 51
Figura 3. 9 Señal generada por el controlador para cinco tiempos de radiación y una frecuencia. . 50
Figura 3.10 Circuito de retroalimentación por fotodiodo... 51
Figura 3.11 Circuito final propuesto de alimentación, control de tiempos de radiación y frecuencia y circuito de retroalimentación por fotodiodo... 53
Figura 3.12 Pulsos generados por el equipo de fotobioestimulación para tres tiempos de radiación. ... 54
Figura 3.13 Respuesta espectral relativa del fotodiodo MRD500 ... 55
Figura 3.14 Circuito de polarización del fotodiodo. ... 57
Figura 3.15 Gráfica de los pulsos obtenidos en la resistencia de 100kΩ. ... 58
Figura 3.16 Gráfica del ancho del pulso del diodo láser. ... 58
Figura 3.17 Haz de luz del diodo láser visto con una cámara de visión infrarroja. ... 59
Figura 3.18 Arreglo experimental propuesto para medir el patrón de radiación del láser de diodo. 60 Figura 3.19 Patrón de radiación normalizado del diodo láser pulsado con λ=904 nm. ... 61
Figura 3.20 Gráfica de contornos del patrón de radiación del láser pulsado. ... 62
X
Figura 4.1 Potencia promedio en función de la potencia pico, frecuencia y ancho de pulso ... 68
Figura 4.2 Zona de radiación empleada en los tratamientos láser. ... 70
Figura 4.3 Trigo de la especie “Triticum Aestivum L.” variedad Náhuatl F2000. ... 72
Figura 4.4 Planeación de los experimentos. ... 75
Figura 5.1 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para ... 80
Figura 5.2 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para I = 0.95 mW/cm2 y un tiempo de 30 s... 81
Figura 5.3 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 0.95 mW/cm2... 83
Figura 5.4 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 0.95 mW/cm2... 85
Figura 5 5 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para I = 1.9 mW/cm2 y un tiempo de 60 .s ... 87
Figura 5.6 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para... 88
Figura 5.7 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 1.9 mW/cm2... 90
Figura 5.8 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 1.9 mW/cm2. ... 92
Figura 5.9 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para I = 3.8 mW/cm2 y el control. ... 94
Figura 5.10 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para I = 3.8 mW/cm2 y un tiempo de 240 s... 95
Figura 5.11 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 3.8 mW/cm2... 97
XI
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo. ... 32
Tabla 2.2 Parámetros de la luz láser pulsada... 39
Tabla 3.1 Características ópticas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia de 1KHz ... 41
Tabla 3.2 Características eléctricas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia de 1KHz ... 41
Tabla 3.3 Características del fotodiodo MRD500 ... 56
Tabla 3.4 Especificaciones de la Punta de Prueba RjP-735 ... 63
Tabla 3.5 Datos obtenidos a partir de la punta de prueba y del radiómetro... 65
Tabla 3.6 Comparación de los valores dados por el fabricante y los valores medidos. ... 66
Tabla 5.1 Correlaciones para I = 0.95 mW/cm2 para la parte aérea... 80
Tabla 5.2 Correlaciones para I = 0.95 mW/cm2 para la parte radícula. ... 81
Tabla 5. 3 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 0.95 mW/cm2... 82
Tabla 5.4 Estadística descriptiva de la radícula para I = 0.95 mW/cm2... 84
Tabla 5.5 Correlaciones para I = 1.9 mW/cm2 para la parte aérea... 86
Tabla 5.6 Correlaciones para I = 1.9 mW/cm2 para la parte radícula... 88
Tabla 5.7 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 1.9 mW/cm2 ... 89
Tabla 5.8 Estadística descriptiva de la radícula para I = 1.9 mW/cm2... 91
Tabla 5.9 Correlaciones para I = 3.8 mW/cm2 para la parte aérea... 93
Tabla 5.10 Correlaciones para I = 3.8 mW/cm2 para la parte radícula. ... 95
Tabla 5.11 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 3.8 mW/cm2 ... 96
12
RESUMEN
El uso de radiación con láser como un método físico de bioestimulación en semillas antes de la siembra es una opción cuyo auge ha ido en aumento a partir de la necesidad que se vive a nivel mundial de mantener cultivos abundantes, independientemente de las condiciones climáticas y sin dañar el medio ambiente. La radiación con láser es un método que produce variaciones a nivel celular que influyen en el crecimiento y desarrollo de la planta. Los efectos que pueden encontrarse dependen principalmente de la longitud de onda del láser, de la intensidad y del tiempo de exposición.
En este trabajo se determinan las intensidades y tiempos de radiación de un equipo diseñado con láseres de diodo pulsados con λ=904 nm para producir efectos de bioestimulación sobre dos parámetros fisiológicos de la semilla de trigo del tipo “Triticum Aestivum L” de la variedad Náhuatl F2000: el crecimiento de la parte aérea y el crecimiento de la raíz. El diseño experimental se llevo a cabo a través de los lineamientos y requisitos establecidos por la ISTA (International Seed Testing Association) 2009. De los datos obtenidos se obtuvo la estadística descriptiva para analizar la existencia de efectos de estimulación en este tipo de semilla.
13
ABSTRACT
Laser radiation as a physical method of biostimulation on seeds pre-sowing is an option whose importance has increased from the actually needs in worldwide to maintain abundant crops, regardless of weather conditions and without damaging the environment. Laser radiation is a method that produces variations at the cellular level that influence growth and plant development. The effects can found mainly depend on laser wavelength, the intensity and exposure time.
In this research we determine the radiation intensities and times of a system designed with pulsed diode lasers with λ = 904 nm to produce biostimulation effects on two physiological parameters of wheat seed "Triticum aestivum L" of the variety Nahuatl F2000: the growth of steam and root. The experimental design was carried out through the guidelines and requirements established by the ISTA (International Seed Testing Association) 2009. From the data obtained descriptive statistics to analyze the existence of stimulatory effects in this type of seed.
14
OBJETIVO
Investigar los efectos de estimulación sobre el crecimiento de semillas de trigo (“Triticum Aestivum L.”variedad Náhuatl F200) provocados por un sistema basado en láseres de diodos pulsados con λ = 904 nm.
JUSTIFICACIÓN
La creciente necesidad de un método alternativo de tratamiento de semillas que permita mejorar la calidad de la semilla, principalmente la obtención de una raíz bien desarrollada y ramificada en una etapa temprana, ya que garantiza la fijación de la planta al suelo, la absorción de agua, sales minerales y nutrientes, proporcionado la energía necesaria para cumplir todas sus funciones, es de gran importancia. Por lo que es necesario investigar métodos físicos alternativos que ayuden a mejorar parámetros fisiológicos de las semillas.
Considerando la importancia de estos aspectos se propone el uso de un equipo de bioestimulación basado en diodos láser infrarrojos de pulsos para determinar los parámetros específicos de este tipo de luz que producen efectos de estimulación positivos sobre semillas de trigo, principalmente en la raíz. Además de que no existen trabajos de investigación sobre la influencia de este tipo de luz láser como tratamiento en semillas de trigo antes de la siembra.
15
CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE
1.1 Introducción
En la actualidad se busca desarrollar nuevos métodos bioestimuladores que protejan las cosechas, el ambiente y los alimentos con el objetivo de que no produzcan el deterioro de la naturaleza [1]. Uno de los métodos físicos que se ha empleado es la estimulación con luz láser, con el objetivo de activar y mejorar los procesos de crecimiento y germinación en semillas de plantas [1]. En diversas investigaciones, se observa que la incorporación de la radiación láser en semillas antes de la siembra podía tener una acción estimulante sobre ciertos procesos biológicos, tales como acelerar el proceso de crecimiento, aumentar la tasa de germinación y mejorar la resistencia a enfermedades y plagas [2-18].
1.2 Estudio Bibliográfico
Existen diversas investigaciones sobre la aplicación de la luz láser como bioestimulador de semillas, en cada investigación existen variantes tales como longitud de onda empleada, potencia de salida del láser, si la onda es continua o pulsada, los tiempos de exposición, si se trata de luz pulsada la frecuencia de los pulsos y ancho del pulso, además existen variantes del tipo de semilla y en los métodos de tratamiento de la misma [2-18].
Algunas investigaciones recientes que utilizan radiación láser para provocar efectos de bioestimulación se presentan a continuación.
16 En el estudio de 1997 presentado por G. Vasilevski y D. Bosev [3], se utilizó un láser de He-Ne con longitud de onda de 632.8 nm y potencia de salida de 20 mW como un método de bioestimulación de semillas de papa antes de la siembra y fue llevada hasta la etapa de cosecha. De esta investigación se obtuvo que las semillas tratadas con láser de He-Ne tuvieron un incremento en el número de papas por planta del 43.1% mayor que las semillas sin radiar (control). Además, se incremento el peso de las papas en 21.4% con respecto al control.
En 1998, los investigadores Guardia Gutiérrez y R. Casate Fernández [4], investigaron la influencia de la radiación láser de baja potencia en el rendimiento de semillas de cebolla de la variedad Red Creole. Las semillas fueron tratadas pre-siembra con un laser de He-Ne de 25 mW de potencia, con una longitud de onda de 632.8 nm. Cada muestra fue expuesta al haz láser durante 0.25 y 1 minuto, a lo anterior se anexa un testigo (semilla sin radiar). De esta investigación se obtuvo una estimulación positiva del 17.5% en los tratamientos donde el láser se aplico durante 1 minuto con respecto al testigo. Esto demostró una estimulación en el desarrollo y formación de este tipo de cebolla con estos tratamientos.
Posteriormente en 1999, los investigadores D. Drozd, y H. Szajsner [5], estudiaron el uso un láser de He-Ne de 15 mW de potencia para la estimulación de tipos de semillas de trigo: ALkora, Banti, Eta, Henike, Hera, Igna, Ismena, Jota, Omega y Sigma. Se aplicaron dos métodos llamados “D” y “R”. Del método “D”, se tomaron tres intensidades: DI= 1.5X10-3 W/cm2, DII= 2DI (doble intensidad) y DIII= 3DI (triple intensidad). Del método “R” se tomaron otras tres intensidades: RI= 1.48X10-5 W/cm2, RII= 2RI (doble intensidad) y RIII= 3RI (triple intensidad) durante un tiempo de radiación de 2.7 s. Después del séptimo día se midió la longitud del coleóptilo y en el día 14 se midieron las raíces. De este experimento se obtuvo que la longitud del coleóptilo se incremento con respecto al control. La mayor longitud del coleóptilo se obtuvo con el tratamiento RI en el genotipo Alkora con un nivel de estimulación del 48.8% con respecto al control. El tratamiento RIII incremento la longitud de la raíz solo para el tipo
17 Ismera con un nivel de crecimiento de 24.59% con respecto al nivel de control. Un parámetro que no es especificado en este trabajo es la longitud de onda a la que se llevaron a cabo los tratamientos láser.
En el trabajo realizado por los investigadores Anna Podleoena y Janusz Podleoeny en 2001 [6], aplicaron luz láser en tratamientos antes de la siembra en semillas de haba. En esta investigación se variaron dos parámetros: la intensidad de la luz y las condiciones de temperatura. Los resultados obtenidos fueron que las semillas radiadas emergieron del suelo entre 3 y 4 días más rápido que las semillas que no fueron radiadas. Además se hicieron experimentos comparando semillas radiadas a baja temperatura y en condiciones de temperatura óptimas. Se observó que la emergencia de semillas en condiciones de baja temperatura y en condiciones óptimas se incremento como consecuencia de la radiación en 9.6% y 7.4% respectivamente con respecto a semillas sin radiar. Este artículo no especifica los valores de baja y óptima temperatura óptima a los que se hicieron los experimentos. Sin embargo se observa que es posible obtener efectos de bioestimulación cuando se radia semilla de haba independientemente de las condiciones térmicas del ambiente.
En 2002, L. Cepero y A.R. Mesa [7], emplearon semillas de Albizia Lebbeck, a las cuales se les redujo su humedad al 10, 13 y 16%. Posteriormente se sometieron a la acción de la radiación de un láser de He-Ne con una longitud de onda de 632.8 nm y potencia de 2 mW. Se utilizaron diferentes tiempos de exposición para cada porcentaje de humedad: 15, 20 y 25 segundos y 10, 15 y 20 minutos. Después de ser radiadas, las semillas fueron sembradas en bolsas de polietileno que contenían tierra y materia orgánica. Las plantas se evaluaron a los 45 días en cuanto a los indicadores fisiológicos siguientes: altura, número de hojas y número de ramas. Las variables estudiadas fueron fotosensibles a la radiación láser. En cuanto a la altura, se manifestó la mayor estimulación cuando las semillas se sometieron a 20 s de radiación láser con un 10% de humedad presentando un nivel de crecimiento del 33.3% por encima del control. En cuanto al número de hojas, se obtuvo un máximo de 13% por encima del control para
18 las semillas con 20 s de exposición y 10% de humedad, por lo que mantuvo una correspondencia con la altura de las plantas. Para este mismo contenido de humedad se presentó una inhibición de este índice cuando se irradió durante 10, 15 y 20 min, al igual que en la altura. La máxima estimulación para el número de ramas fue del 31.1 % con respecto al control y se obtuvo para una humedad del 10 % y un tiempo de exposición de 25 s. Para un tiempo de 15 s de irradiación y para 10,15 y 20 minutos, en sentido general, se notó una inhibición con respecto al control.
En 2007, Zong-Bo Qiua y Xiao Liua [8], con el objetivo de determinar la resistencia en semillas de trigo en temporada de sequia se investigó la influencia de un láser se CO2 en el pre-tratamiento de la semilla de trigo del tipo “Triticum Aestivum L”. Los embriones fueron expuestos al láser de CO2 en tiempos de 3 y 5 minutos respectivamente, además de un control (semillas sin radiar). Después de doce días las semillas fueron tratadas con una solución especial (PEG6000) por diez días. Esta investigación muestra que la radiación con laser de CO2 produce aumentos de entre el 5-16% en las concentraciones de, H2O2 (Peróxido Hidrógeno), GSSG (glutathione oxidized), O2- (Oxigeno). En la hoja se encontró un incremento en la concentración de caroteno, enzimas y compuestos antioxidantes, los cuales son los encargados de aumentar la resistencia de la planta. También se midieron parámetros físicos como la longitud de la hoja y peso seco, obteniendo resultados de estimulación de hasta el 18% mayor con respecto al control. En este trabajo no se especificó la longitud de onda del láser empleado.
En 2008, los investigadores Abdelghafar M. Abu-Elsaoud y Sultan T. Tuleukhanov [9], estudiaron la influencia de láser infrarrojo en cuatro tipos de trigo encontrados en Kazajstán: Akcay, Kazakhstanskaya-10, Eretrospermum-350 y Egipto (Sakha-168), con el fin de mejorar su porcentaje de germinación. Las semillas fueron tratadas con láser 632.8 nm, potencia de 5.23 mW y tiempos de 0, 1,3, 10, 30, 60, 180, 1200 y 1800s. La germinación de las semillas fue medida a los 3, 5 y 7 días posteriores a la siembra. Los estudios mostraron niveles de estimulación positiva después de 3 días
19 de germinación, existiendo un incremento con respecto al nivel de control más significativo para el tipo Akcay, después de haber sido expuesto a una radiación láser durante 20 min. La estimulación en el crecimiento fue del 93.3% con respecto al control. Se encontró también que para un tiempo de 30 s se obtuvo una inhibición general para los cuatro tipos de trigo obteniendo un mínimo porcentaje de germinación del 6.7% en el trigo Shakha-168. Para las semillas medidas después de 5 días, el porcentaje de germinación para el tipo Akcay aumento en 96.7% para 20 min. con respecto al control. Para el caso de las semillas medidas después de 7 días, los resultados fueron un incremento de 100% en el tipo Akcay, Kazakhstanskaya-10, Eretrospermum-350 expuestas a radiación láser durante 3 min. con respecto al control. Para un tiempo de 30s se obtuvo inhibición en la germinación en los cuatro tipos de trigo con un porcentaje mínimo del 16.7% para Shakha-168 con respecto al nivel de control. El presente trabajo menciona que se trabajó en una longitud de onda infrarroja cuando lo que se observa en la parte experimental es una longitud de onda que corresponde al espectro rojo de la luz. De igual forma no se especifica de forma precisa la forma ni las condiciones bajo las cuales se obtuvo este nivel tan alto de germinación.
Los trabajos anteriores [2-18] demuestran que en la actualidad se ha dado mayor importancia a este tipo de investigaciones por la necesidad que se vive a nivel mundial para mantener una agricultura sustentable, aunque estos trabajos varían en métodos, en tipos de láseres y semillas, afirman que la bioestimulación con láser antes de la siembra favorece los procesos fisiológicos de las semillas y en consecuencia el establecimiento de los cultivos, siendo importante definir los parámetros de radiación adecuados para producir efectos favorables en las semillas de cada especie. Convirtiendo al dispositivo láser como bioestimulador en una alternativa viable que demuestra mejorar la calidad de la semilla.
20
1.3 Fitocromos
Para las plantas, la luz es posiblemente el parámetro ambiental más importante, ya que pueden monitorear la presencia, ausencia, calidad espectral, intensidad, direccionalidad y duración diurna de las señales de luz incidentes para modular su desarrollo y crecimiento [19]. De acuerdo al estudio bibliográfico [3-9], las bandas del espectro óptico que tienen mayor acción sobre la germinación de semillas corresponden a la franja de rojo e infrarrojo, ambos tipos de luz son absorbidos por un compuesto denominado fitocromo, que es una cromoproteína que actúa como sensor, el cual consiste de dos partes: un polipéptido y un cromóforo, que absorbe la luz de longitudes de onda específicas. Existen dos tipos de fitocromos, Pr y Pfr. Pr es biológicamente inactiva y hasta la absorción de fotones rojos es convertida a Pfr, que es la forma activa. La conversión del fitocromo inactivo (Pr) a fitocromo activo (Pfr) por lo general se lleva a cabo bajo el efecto de la luz roja, y la reacción opuesta ocurre bajo el efecto de la luz infrarroja. Esta reacción de conversión en ambos sentidos está relacionada con la estimulación y la inhibición de la germinación, y puede ser modificada o controlada por otros factores ambientales como la temperatura.
El fitocromo Pr absorbe luz roja más eficientemente, ya que a esta longitud de onda conduce a la conversión de una mayor proporción de moléculas de la forma Pfr y, por lo tanto, se induce la germinación. Cuando la forma Pfr absorbe luz roja lejana prácticamente todas las moléculas vuelven a la forma Pr, anulando así el efecto de la primer absorción de luz roja [19].
En la Figura 1.1 se observa el espectro de absorción de las dos formas del fitocromo: Pr y Pfr, también se puede notar que existen intersecciones en la gráfica, lo que significa que la forma activa Pfr coexiste siempre con la inactiva Pr en un fotoequilibrio que se establece en función de la proporción relativa de luz roja e infrarroja de la radiación incidente [19].
21
Figura 1.1 Espectro de absorción de los fitocromos [19].
1.4 Factores Importantes que Intervienen en el Proceso de Bioestimulación
La respuesta de crecimiento y germinación de estimulación e inhibición de un objeto biológico está en función de diversos parámetros, algunos de los más importantes son: la longitud de onda del láser (nm), la intensidad de la luz (W/cm2), el tiempo de radiación (s) y del tipo de luz, es decir, si es luz continúa o pulsada [20]. Existe otro factor compuesto importante que es la dosis que se aplica al objeto biológico, el cual se determina para el caso de luz continua como:
⋅ = 2 cm J t I D (1.1) Donde:
D = Dosis de energía por cm2 [J/ cm2] I = Intensidad de radiación por cm2 [W / cm2] t= Tiempo de radiación [s]
22 En la figura 1.2 se muestra que la longitud de onda es un parámetro importante para obtener respuestas de bioestimulación. En el eje “x” se encuentra el valor de la longitud de onda y en el eje “y” el crecimiento de las bacterias de E.coli (“Escherichia coli” ) [20]. El valor de 1.0 corresponde al nivel de control, es decir, de semillas sin radiar. Se observa que con un valor de longitud de onda de 450 nm y una dosis de 4x103 J/cm2 se tiene una estimulación en el crecimiento de las bacterias del 50% con respecto al nivel de control. Posteriormente, se observan estimulaciones positivas importantes en 560 nm y 630 nm para la misma dosis. Además se ve que para la región infrarroja la amplitud de la respuesta comienza a incrementarse paulatinamente suponiendo una estimulación máxima en alguna región del infrarrojo, esto es por arriba de una longitud de onda λ = 750 nm.
Figura 1.2 Efectos de bioestimulación en función de la longitud de onda para un cultivo de E.coli cuando la intensidad y el tiempo son constantes y la longitud de onda varia [20].
23 En la figura 1.3 se muestra la importancia de la intensidad y el tiempo de exposición a la radiación láser como parámetros de bioestimulación. El cultivo fue radiado a tres diferentes intensidades (1) 3x103 W/m2, (2) 1.57x102 W/m2 y (3) 60 W/m2 usando un láser con una longitud de onda de 632.8 nm y diferentes tiempos de exposición [11]. Los niveles máximos de crecimiento de las bacterias de E. Coli se obtuvieron para la intensidad 1 a un tiempo de exposición de 0.05 s con un incremento positivo del 120% con respecto al control. Para la intensidad 2 se observa para un tiempo de 0.5 s un incremento en la respuesta de estimulación del 119%. En cuanto a la intensidad 3 se obtuvo un crecimiento máximo del 120% en el desarrollo de bacterias de E. Coli para un tiempo de 1 s. Se observa para las tres intensidades y un tiempo de 100 s un nivel de estimulo importante para la intensidad 1 del 118% y para la intensidad 2 del 76%, mientras que para la intensidad 3 aumento solo un 58%.
Figura 1.3 Efectos de la bioestimulación en función del tiempo de irradiación en el crecimiento de bacterias de E.coli [20].
24
Figura 1. 4 Efectos de la bioestimulación en función de distintas longitudes de onda e intensidades en el crecimiento de bacterias de E.coli [20].
La figura 1.4 muestra la importancia de la longitud de onda y la dosis aplicada en la bioestimulación de parámetros fisiológicos, ya que la respuesta de estimulación y crecimiento de bacterias de E. coli depende de la combinación correcta de estos parámetros. Se observa una máxima estimulación del 95% con respecto al control cuando en el cultivo de E.coli se radía con una intensidad de 60 W/m2 y una longitud de onda de 750 nm; para la misma intensidad y una longitud de onda a 560 nm se obtiene una respuesta al estimulo menor (78%), ya que no solo influyó el cambio de longitud de onda, además existió una variación en el tiempo de exposición de la radiación láser (dosis). Otro efecto importante se observa cuando se combinan las longitudes de onda de 632 nm y 454 nm con una intensidad de 100 W/m2 para un mismo tiempo de exposición de la radiación láser; se obtienen mejores resultados para la longitud de onda de 632 nm (77%) que para 452 nm (44%).
25 Finalmente, se puede resumir de las investigaciones estudiadas [2-18] que la respuesta de estimulación presenta tres características principales las cuales se muestran en el diagrama 1.5 y se describen a continuación.
Magnitud de la respuesta
Activación por estimulación óptima
Disparo
Nivel de control Inhibición
Magnitud del estímulo
Figura 1. 5 Respuesta de estimulación para los sistemas biológicos.
1. El comportamiento de la amplitud de la respuesta al estimulo del objeto biológico se puede activar o inhibir al variar cualquiera de los parámetros de radiación antes mencionados (longitud de onda, intensidad y tiempo de exposición).
2. En las curvas de la respuesta de estimulación tienen normalmente un nivel de control (objetos biológicos que no se expusieron a radiación láser). El control nos permite comparar y normalizar las respuestas de estimulación de los objetos biológicos.
3. En las curvas de la respuesta de estimulación es posible encontrar valores máximos que representan la activación de la respuesta del objeto biológico y valores mínimos que representan inhibición.
26
CAPITULO 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL LÁSER
DE DIODO
2.1 Introducción
La palabra láser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Emisión de luz por emisión estimulada de radiación) y presenta características especiales que la hacen diferente a cualquier otro tipo de luz. Debido a estas características la principal utilidad práctica de la radiación con luz láser reside en que concentra un gran número de fotones por unidad de superficie, por lo que si se dirige o enfoca sobre un objeto, el haz láser será parcialmente absorbido lo que causa una estimulación en su interior.
En el presente capítulo se presentan las características básicas de la luz láser, posteriormente se muestra la estructura básica de un láser para finalmente particularizar en las características principales ópticas y eléctricas del láser de diodo.
2.2 Propiedades Básicas de la Luz Láser
La energía generada por un láser está dentro de la porción óptica del espectro electromagnético. Del esquema de la figura 2.1 se observa que el intervalo de luz detectable por el ojo humano se encuentra en un intervalo de aproximadamente 0.4µm a 0.7µm, la región ultravioleta abarca longitudes de onda de 0.01µm a 0.4µm. y la región del infrarrojo se encuentra entre las longitudes de onda de 0.7µm a 1000µm [21].
27
Figura 2.1 Esquema del espectro electromagnético desde la región del ultravioleta hasta el infrarrojo [21].
Un dispositivo láser produce un haz intenso de radiación óptica (o de luz) con características que la distinguen de otros tipos de fuentes luminosas, estas características son [22]:
• Monocromaticidad: todos sus fotones emitidos tienen casi igual longitud de onda. • Coherencia: todos los fotones emitidos se encuentran en fase.
• Direccionalidad: el haz de radiación presenta escasa divergencia.
Además, existen cuatro procesos básicos que se producen en la generación de luz láser, bombeo, absorción, emisión espontanea y emisión estimulada [23]:
a) Bombeo
Es el paso de una corriente eléctrica o el uso de cualquier otro tipo de energía, que da lugar a la transición energética de los electrones de los átomos o moléculas a un estado de excitación
28 b) Absorción
Proceso mediante el cual un átomo o molécula absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado base, es decir, E1 corresponde al nivel de energía en estado base y E2 al nivel de energía en estado excitado. A temperatura ambiente muchos de los átomos se encuentran en estado base, esta situación cambia cuando un fotón de energía igual a hν12 = E2 – E1 afecta al sistema. El átomo en estado base E1 absorbe el fotón y viaja al estado excitado E2 de acuerdo a la figura 2.2 [23].
E2
hν12
E1
Figura 2.2 Proceso de Absorción.
c) Emisión Espontánea
El estado excitado en un átomo es inestable, es decir, después de un lapso corto de tiempo sin ningún estimulo externo se presenta una transición del estado excitado al estado base, liberando en este proceso un fotón de energía igual a hν12 en dirección libre, este proceso es llamado emisión espontánea (figura 2.3) [23].
E2
hν12 E1
29 d) Emisión Estimulada
El efecto físico que permite la obtención de un haz con características de monocromaticidad y direccionalidad es la emisión estimulada la cual se presenta cuando un fotón de energía hν12 afecta a un átomo mientras se encuentra en estado excitado, el átomo es estimulado a realizar una transición al estado base, liberando un fotón de energía hν12 el cual se encuentra en fase con la radiación incidente, como lo muestra el esquema de la figura 2.4 [23].
E2
hν12 hν12
E1 hν12
Figura 2.4 Emisión estimulada.
2.2.1 Estructura Básica de un Láser.
La estructura principal de un láser [24-25], consta del medio activo, los espejos que forman el resonador láser y el sistema de bombeo. En la Figura 2.5 se muestra la cavidad amplificadora con un sistema de bombeo y un par de espejos planos (o ligeramente cóncavos) en sus extremos. La línea punteada indica el eje óptico del sistema.
El par de espejos paralelos recibe el nombre de resonador óptico. Uno de los espejos del resonador es casi 100% reflejante y el otro tiene una reflectancia típica de 90%.
30 En la figura 2.5 se muestra un esquema de la función del resonador óptico, inmediatamente después de que el sistema de bombeo fue disparado. Cualquier fotón que sea emitido en una dirección diferente a la definida por el eje óptico del resonador se perderá, mientras que cualquier fotón emitido a lo largo del eje óptico del oscilador será amplificado por el proceso de emisión estimulada e inmediatamente se generará un enorme flujo de fotones confinados en el resonador que se propaga a lo largo del eje óptico. Si el resonador óptico no estuviera presente, después de disparar el sistema de bombeo, los átomos o moléculas que fueron excitados pasarían a su estado base debido al proceso de emisión espontánea, emitiendo fotones en todas direcciones y perdiendo la energía recibida.
Figura 2. 5 Componentes principales del láser.
El resonador óptico permite extraer en forma eficiente la energía que el sistema de bombeo deposita en los átomos o moléculas contenidos en la cavidad amplificadora. Debido a que uno de los espejos del resonador tiene una reflectancia del 90%, el 10% de los fotones que incidan en él son transmitidos fuera del resonador óptico, formando un haz de luz muy intenso con las características mencionadas anteriormente: monocromático, coherente y altamente direccional.
31
2.3 Láser de Diodo
2.3.1 Ventajas y desventajas del láser de diodo
El láser de diodo o láser semiconductor presentan ventajas importantes con respecto a otros tipos de láseres. Las principales ventajas del láser de diodo son:
• Los láseres de diodo son más pequeños.
• Se puede modular fácilmente a altas frecuencias controlando la corriente de polarización.
• Eficientes, robustos y presentan un rendimiento alto (más del 20% de la energía suministrada es emitida como radiación láser)
• Tiempo de vida largo (se estima que más de 20000 horas de operación continúa).
• Bajo costo, ya que los láseres de diodo suelen fabricarse utilizando técnicas de producción a gran escala.
• En cuanto a las especificaciones electrónicas presentan bajos requisitos de corriente de umbral y voltaje.
Teniendo como desventaja:
• Alta sensibilidad a los cambios de temperatura.
• El haz láser es astigmático, es decir, presentan una coherencia y un nivel de monocromaticidad inferior a otros láseres debido al pequeño tamaño de su cavidad resonante.
32
2.3.2 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo
La mayoría de los láseres de diodo son fabricados con mezclas de materiales semiconductores (tabla 2.1) de los grupos III-V de la tabla periódica [26].
Tabla 2.1 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo.
Compuesto Longitud de onda
λ (nm)
Compuesto Longitud de onda
λ (nm)
InGaN 390-420 GaAs/GaAs (puro) 904
GaN 417 GaAs 905, 940 AlGaAs 428 In0.2Ga0.8As 980 - 1050 ZnSSe 463,510,520 In1-xGaxAsyP1-y 1100 - 1650 ZnCdSe 490 - 525 InGaAsP/InP 1100 - 2100 AlGaInP/GaAs 610 – 690, 1300 In0.73Ga0.27As0.58P0.42 1310 AlxGa1-xAs 620 - 895 In0.58Ga0.42As0.9P0.1 1550 AlGaInP 630 - 680 InGaAsSb 1700 - 4400 Ga0.5In0.5P/GaAs 670 - 686 PbCdS 2700 - 4200 InGaAsP/GaAs 680 - 880 PbEuSeTe 3300 – 5800 AlGaAs 730,780,830,855,880 PbSSe 4200 - 8000 AlGaAs/GaAs 750-880 PbSnTe 5500 - 30000 InGaAs/GaAs 880 - 1100 PbSnSe 8000 - 30000
33
2.3.3 Homoestructruras y Heteroestructuras en un láser de diodo
Los primeros láseres de diodo constaban simplemente de una homounión, es decir, en ellos la unión laser se formaba con las regiones del tipo p y n del mismo material (normalmente GaAs). A esta unión se fijaban dos láminas paralelas entre sí y perpendiculares a la unión (figura 2.6a).
(a) (b)
Figura 2. 6 (a) Estructura Láser Homounión (b) Estructura Láser Heterounión
En el caso de láseres con heterounión, la capa activa se encuentra situada entre dos capas de diferente composición química, usualmente GaAs y GaAIAs, que tienen diferentes bandas prohibidas (figura 2.6b). Esto permite que entre los materiales PN se genere una barrera de potencial mayor comparada con los diodos homoestructura, incrementando de esta forma la acumulación de cargas en esta barrera para la producción de una región de inversión que disminuirá la corriente de umbral para la operación del láser de diodo y que se explica con más detalle más adelante. Los láseres de heterouniones son muy usados en modo pulsado para producir altas potencias de pico.
34
2.3.4 Características eléctricas y ópticas de un láser de diodo a considerar en el diseño del controlador y fuente de alimentación
2.3.4.1 Parámetros a considerar que pueden causar destrucción del láser
Para el diseño del controlador del láser de diodo es necesario tener en consideración algunas características que no pueden ser excedidos ni siquiera momentáneamente por ninguna condición externa, estos niveles se establecen a una temperatura Tc = 25 °C. Estas características son [27-28]:
• Restricción de Corriente: El control de corriente a través del láser hace que su manejo sea más confiable. La figura 2.7 muestra la gráfica de corriente directa (I) contra potencia de salida (P), La curva divide la región A y B, en la zona A se observa el comportamiento de un LED de baja intensidad y en la zona B una vez alcanzada la corriente de umbral, se observa que la potencia de salida aumenta rápidamente en función de la corriente que circula por el dispositivo. Se puede notar que la Ith es el punto donde la línea recta que sigue la curva cruza en el eje X y que la diferencia entre la corriente Ith y Iop es muy pequeña, además, la corriente directa de operación no es mayor del 10% con respecto a la corriente de directa de umbral [27-28].
35 • Temperatura del Diodo (T): La característica de corriente de operación varía de
acuerdo a la temperatura (Figura 2.8). La corriente de umbral varía ampliamente de un dispositivo a otro, y esta a su vez varia con respecto a la temperatura, debido estas variaciones es posible observar que en algunos momentos el láser operará por debajo de su corriente de umbral, lo que provocará que el láser no funcione; en otros momentos se podrá observar que el láser funcionará por arriba de la corriente máxima permitida, por lo que este se dañara dejando de funcionar permanentemente [27].
Figura 2.8 Efectos de la temperatura sobre la corriente.
• Potencia de Salida Óptica (Po): Se refiere a la potencia máxima permitida a la salida durante funcionamiento continuo.
• Voltaje Inverso (VR): Es el voltaje máximo permitido en polarización inversa aplicado al dispositivo. Este valor es diferente para el diodo láser y un fotodiodo. • Temperatura Ambiente de Operación (Topr): Este es la máxima temperatura
ambiente en la que el dispositivo puede operar.
• Temperatura Ambiente de Almacenamiento (Tstg): Se refiere a la máxima temperatura en que el dispositivo puede ser almacenado.
36 La forma de obtener un funcionamiento adecuado del láser de diodo es incorporando el uso de la corriente del fotodiodo, la cual presenta los siguientes beneficios [28]:
1) No varía significativamente con la temperatura.
2) Los fabricantes proporcionan hojas de datos indicando las condiciones de prueba del dispositivo la cual permite establecer la corriente de operación para una potencia de salida máxima.
3) Se puede ajustar.
Además se debe tener en consideración la posible generación de transitorios que puedan dañar el dispositivo láser. [28]. Los transitorios ocurren cuando:
• El circuito de retroalimentación produce variaciones (o en el peor de los casos oscila) haciendo que el circuito de control exceda de forma ocasional la corriente máxima permitida.
• Existen transitorios provocados por encender o apagar el controlador.
• Se usa una base para el diodo láser, de esta forma la conexión del fotodiodo será deficiente, por lo que el circuito de retroalimentación demandará una mayor corriente haciendo que se exceda el nivel máximo corriente del diodo láser destruyéndolo.
2.3.4.2 Parámetros Ópticos y Eléctricos de un Diodo Láser
Las características ópticas y eléctricas que presenta un láser de diodo y que se deben considerar para el diseño de un controlador y fuente de alimentación son [28]:
A) Corriente de Umbral (Ith): Como se explicó anteriormente se refiere a la corriente que hace que funcione el láser y se debe tener en cuenta ya que potencia del láser aumenta rápidamente una vez superada la corriente de umbral y su valor
37 es pequeño con respecto a la corriente pico de operación además de que varía ampliamente dependiendo del dispositivo que se utilice.
B) Potencia Óptica de Salida (Po): Se refiere a la potencia óptica recomendada durante funcionamiento continuo.
C) Corriente de Operación (Iop): Es la corriente en dirección directa que es requerida para generar el nivel establecido de potencia óptica de salida.
D) Corriente Monitor (Im): Es la corriente de salida del fotodiodo para generar potencia óptica de salida.
E) Longitud de Onda de Emisión (λ): Es la longitud de onda máxima para una potencia óptica de salida establecida.
F) Divergencia del Haz; Paralelo (θ||) y Perpendicular (θ ⊥ ): La radiación de luz de un láser de diodo diverge como se muestra en la figura 2.9. Cuando la distribución de luz se mide en las direcciones del eje paralelo (eje X) y perpendicular (eje Y) con respecto a la superficie de la unión PN en un láser, la divergencia del haz definida como θ|| y θ ⊥ se obtiene a la mitad de la intensidad pico de la distribución de la luz.
38 G) Astigmatismo (As): Se refiere al desplazamiento la posición focal visto en la
dirección paralela y perpendicular a la unión PN de la superficie del laser como se muestra en la figura 2.10
Figura 2.10 Astigmatismo del Haz en un Diodo Láser [20].
2.4 Diferencia entre luz continua y pulsada
La luz pulsada a diferencia de la luz continua de igual longitud de onda presenta parámetros adicionales distintos [20], estas diferencias se muestran en la figura 2.11.
39 De la figura 2.11 se observa que la luz pulsada puede tener diferentes ciclos útiles como lo muestra la figura (A y C), es decir, el periodo de pulso puede ser distinto al periodo de oscuridad. Para nuestro caso son del mismo valor.
Los parámetros que diferencian luz pulsada de luz continua que aparecen en la figura anterior se explican en la tabla 2.2 [20]:
Tabla 2.2 Parámetros de la luz láser pulsada.
Parámetro Descripción
τpulso Periodo o Duración del pulso
Τosc Periodo de oscuridad entre los pulsos
T Duración de un ciclo completo
τ/T Ciclo útil, es decir, una porción del periodo completo
1/T Frecuencia de pulsación
Ip Intensidad Pico
Iav Intensidad Promedio
40
CAPÍTULO 3. EQUIPO DE FOTOBIOESTIMULACIÓN
3.1 Introducción
La primer parte de este capítulo está centrada en el diseño del sistema de alimentación y control de los tiempos de radiación y frecuencia para un diodo láser de pulsos, basándose en las características mencionadas en el capítulo 2 y en las propiedades eléctricas y ópticas del láser de diodo dadas por el fabricante. En la segunda parte de este capítulo se describe la medición de las características de ancho de pulso, frecuencia, energía y patrón de radiación del láser de diodo para determinar las características exactas de radiación con las que se estará tratando al objeto biológico.
3.2 Fuente de Alimentación y Control del Láser de Diodo Pulsado
En base a las propiedades ópticas y eléctricas que se describen a continuación se realizó el diseño de la fuente de alimentación y el controlador.
3.2.1 Características Ópticas y Eléctricas del Diodo Láser utilizado
El láser de diodo utilizado fue el Roithner LaserTechnik PLD904-6-MG, las características ópticas y eléctricas según el fabricante a una temperatura ambiente de 25°C y 1KHz [29] se muestran en la tabla 3.1, donde se observa que se trata de un láser infrarrojo de alta potencia óptica pico que genera pulsos ultracortos:
41
Tabla 3.1 Características ópticas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia de 1KHz [29].
Descripción Símbolo Mínimo Típico Máximo
Longitud de Onda (nm) λp 890 904 920
Área de Emisión (µm) Ae - 75x1 -
Divergencia del Haz || (°) Θ - 10 -
Divergencia del Haz ⊥ (°) Θ 25 30 40
Frecuencia (Hz) F 3 - 2000
Ciclo Útil (ns) Dc - 200 -
Potencia Óptica Pico (W) Po - - 6
Las propiedades eléctricas del láser empleado se muestran en la tabla 3.2:
Tabla 3.2 Características eléctricas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia de 1KHz [29].
Descripción Símbolo Mínimo Típico Máximo
Corriente de umbral (mA) Ith 120 160 200
Corriente Pico de Operación (mA) Iop - - 5
Voltaje Pico de Operación (V) Vop - 5 6
Temperatura de almacenamiento (°C) Tstg -30 - 70
42
3.2.2 Fuentes de alimentación de voltaje y corriente
Los requerimientos que se siguen para el diseño de la fuente de alimentación como ya se mencionaron en el capítulo 2 son principalmente que el diodo láser opere por arriba de la corriente de umbral y por debajo de la corriente máxima permitida, además es necesario evitar picos de corriente o transitorios que puedan dañar el láser de diodo [28].
Siguiendo estas características, la fuente de alimentación consta de dos etapas, la primera es un regulador de voltaje con circuito de protección y encendido lento para evitar transitorios en la fuente de alimentación y la segunda parte consta de un regulador de corriente con limitación de corriente.
3.2.2.1 Fuente de Voltaje
Se eligió el regulador LM317, el cual es un regulador positivo de voltaje capaz de suministrar 1.5 A, el intervalo de la tensión de salida puede variar entre 1.25 y 37V, puesto que la máxima tensión que puede soportar entre entrada y salida es de 40V. El circuito LM317 tiene una protección interna contra excesos de temperatura y circuitos internos que limitan la corriente. El regulador LM317 configurado como regulador de voltaje es [30]: Vout R2 2 1 Vout 0 R1 2 1 LM317/TO 2 3 1 VIN VOUT ADJ Vin
43 Aunque el regulador LM317 lleva protección interna como se comentó anteriormente, se recomienda además de una protección externa; se colocó un condensador en la terminal de entrada al regulador, con el objetivo de reducir efectos inductivos en los cables y se colocaron condensadores en cada terminal del regulador para mejorar la respuesta transitoria, igualmente se colocó un diodo “shunt” de protección frente a corrientes de polarización inversas [31]. El regulador de voltaje con circuito de protección usa el arreglo de la figura 3.2 [31]:
Vin D1 Vout 0 C1 C3 LM317/TO 2 3 1 VIN VOUT ADJ R2 2 1 R1 2 1 C2
Figura 3.2 Fuente de Voltaje con circuito de protección [31].
Proponiendo los siguientes valores de acuerdo a las especificaciones eléctricas del láser, tenemos [30]: 2 1 2 1 25 . 1 I R R R Vout + Adj + = [V] (3.1) Donde: R1 = 220Ω IAdj = 100µA Vout = 5V
44 Calculando y despejando el valor de R2:
= 861Ω ≈ 820Ω (3.2)
R2= 820Ω
Para la etapa de encendido lento se propone la configuración del circuito del regulador de voltaje anterior con el objetivo de evitar transitorios al encender la fuente de alimentación, el diagrama eléctrico se muestra en la figura 3.3 [31]:
D1 0 R2 50k 2 1 R1 220 2 1 LM317/TO 2 3 1 VIN VOUT ADJ + 25u 2N2905 R2 C1 0.1u 0 Vout
Figura 3.3 Fuente de Voltaje con encendido lento [31].
3.2.2.2 Fuente de corriente
La segunda etapa consta de un circuito para incrementar la corriente con limitación de la misma [31]. Este circuito al igual que para el caso anterior usa el circuito LM317 aprovechando la propiedad de mantener constante la tensión entre la terminal de salida Vout y la terminal VAdj, si se coloca un resistor fijo entre ambas terminales la corriente de salida también quedara fija, por lo tanto se comportará como una fuente de corriente
Adj out I R V R + − = 1 2 1 1 25 . 1
45 constante. En la figura 3.4 se muestra al regulador LM317 configurado como fuente de corriente [31]: 0 R1 2 1 LM317/TO 2 3 1 VIN VOUT ADJ Iout Vin Vout 0.33u C
Figura 3.4 Regulador LM317 configurado como fuente de corriente.
La corriente se limitará hasta un máximo de 205mA, ya que es el valor de la corriente máxima que es posible suministrar al diodo láser antes de que este se destruya. Los valores propuestos para el diseño de la fuente de corriente son:
out ref IAdj R V I + = 1 (3.3) Donde: Vref = 1.25 IAdj = 100µA Iout= 205mA
Despejando y Calculando el valor de R1:
Adj out ref I I V R − = 1 (3.4) A mA R
µ
100 205 25 . 1 1 − = = 6.10Ω ≈ 6.8Ω46 R1 = 6.8 Ω
Aunque el regulador LM317 tiene protección interna contra excesos de corriente, en muchas ocasiones puede suceder que se demande una corriente mayor en casos en que la carga disminuya implicando que la corriente aumente drásticamente y que provoque la destrucción del láser [30], para poder aumentar la corriente y proteger nuestro dispositivo láser se propone conectar a la fuente de corriente un transistor de potencia (Q1), como lo muestra la figura 3.5, además se agrega un resistor Rd que detecta y fija la máxima corriente que circula por el regulador [30].
Cuando la tensión en las terminales del resistor Rd es menor que 0.6V, el transistor Q1 estará en corte, manteniendo la tensión de salida constante y pasando toda la corriente que llega a la carga a través del regulador.
Cuando la tensión en Rd supera los 0.6 V, el transistor entra en conducción, de forma tal que la corriente extra que le llega a la carga pasará directamente por el transistor externo Q2.
Para limitar la corriente y proteger el transistor Q1, se agrega además un transistor Q2 y un resistor Rsc que permiten limitar la corriente. El transistor Q2 estará en corte hasta que la corriente de carga sea muy grande de manera que la tensión que pasa por Rsc alcance los 0.6 V, en este caso entrará en conducción y le restará corriente al transistor Q1, llegando al estado de corte. Esto provoca que la tensión de Rsc sea menor a 0.6V lo que implica que Q1 vuelva a conducir, alcanzando un nivel de equilibrio entre ambos transistores, fijando la corriente de salida Iout en la máxima establecida.
47 Los valores propuestos para la configuración del circuito para incrementar y limitar la corriente son, suponiendo que la corriente máxima que podría pasar por el transistor es ITmax [24]:
ITmax = 2 A
Iout = 205mA
Para calcular el valor de de RSC se toma se considera la condición máxima de corriente ITmax = 2 A que pasa por el transistor Q1 y tomando el valor de VBE = 0.7 V:
max T BE sc IV R = (3.5) 2 7 . 0 = sc R = 0.35Ω Rsc = 0.35Ω
Para calcular de Rd el transistor Q1 debe ponerse en conducción para proteger el transistor Q2. Cumpliéndose la condición ITmax Rsc = 0.7 V y teniendo una β medida de 50 para el transistor Q2: 2 2 1 Q T out BEQ BEQ d I I V V R
β
− + = = 8.48Ω = 8.2Ω (3.6) Rd = 8.2ΩLa figura 3.5 muestra el diagrama eléctrico del circuito para incrementar corriente con limitación de corriente [31].
48 Rsc 2 1 Q1 LM317/TO 2 3 1 VIN VOUT ADJ Rd 2 1 Iout 8.2 Q2 0.35
Figura 3.5 Fuente para incrementar corriente con limitación de corriente.
Para la elección de los transistores se considero que puedan soportar la máxima potencia en el caso más desfavorable, circulando una corriente máxima limitada por Q2 de 2 A. El transistor seleccionado fue el MJ2955 (βmin>60; VEC=70V; IC=15A; P=150W) [32].
3.2.2.3 Circuito Propuesto de Fuentes de Alimentación
El diseño completo de la fuente regulada del diodo láser con limitación de corriente a 2 A se muestra en la figura 3.6.
R3 2 1 LM317/TO 2 3 1 VIN VOUT ADJ 8.2 1k R1 2 1 R2 50k 3.3uF/60V 0 100uF/60V C2 C3 Q1 MJ2955 220 Q1 MJ2965 Rd 2 1 2N2905 Rsc 2 1 0.35 C1 15000u/60V D1
Figura 3.6 Fuente de alimentación de tensión ajustable y encendido lento con circuito para incrementar la corriente y limitación de corriente.
49 Todos los cálculos realizados anteriormente sobre el circuito de encendido lento y para incrementar y limitar corriente fueron validos en el diseño de la figura 3.6.
3.2.3 Circuito de Control de Láser Pulsado
El controlador del láser pulsado es distinto a la de un láser de onda continua ya que se requiere de una etapa de modulación de frecuencia [32].
El controlador propuesto usa el PIC18F454 para la selección de los tiempos de radiación de los objetos biológicos y selección de la frecuencia de modulación. Posteriormente se utiliza un circuito de retroalimentación por fotodiodo para monitorear y controlar la corriente que entra en el láser de diodo.
3.2.3.1 Características básicas del PIC18F452
Como se mencionó anteriormente se utilizó el PIC18F452 de la familia de Microchip debido a la disponibilidad en el mercado y al conocimiento en el manejo del mismo. El PIC18F452 nos permite programar todos los tiempos de radiación de los objetos biológicos y la frecuencia de modulación del láser necesaria para la aplicación a desarrollar al ser un circuito altamente integrado. Las características principales del PIC18F452 son [33]:
• Presenta 4 puertos que pueden funcionar como puertos de entrada y salida. • Memoria interna de programa de 32k.
50 • Frecuencia máxima de operación de 10MHz.
• Convertidor analógico a digital de 8 canales de 10 Bits cada uno.
En la figura 3.7 se muestra una imagen de las terminales del microcontrolador [33].
Figura 3.7 Diagrama de terminales del PIC18F452 [33].
3.2.3.2 Configuración y funcionamiento del sistema de control.
La frecuencia del reloj empleada se fijo en 455KHz ya que es la frecuencia mínima a la que puede oscilar el PIC18F52 [26] en modo cristal (XT), es importante determinar el valor del cristal antes de proponer el arreglo del PIC, ya que de la frecuencia del PIC dependen los valores de los capacitores.
Los capacitores recomendados según las hojas de especificaciones para un cristal de 455KHz es: C1 y C2 = 68-100µF [33].
51 100K U3 1 2 470 SALIDA VCC (TIEMPO) U2 1 2 DB4 GND1 5V 2 455kHz U7 1 2 DB7 100K 5V E U1 1 2 100K U6 1 2 14 10 5V RS 100K GND2 VCC U5 1 2 0 13 100K U4 1 2 0 PIC18F452 38 44 43 42 41 40 39 29 30 31 32 33 34 35 36 19 20 21 22 23 24 25 26 15 14 13 12 11 10 9 8 4 3 2 7 37 1 16 17 OSC2/CLKOUT RA0/INT RA1/T0CLK RA2 RA3 RA4/RX/DT RA5/TX/CK RB0/CAP1 RB1/CAP2 RB2/PWM1 RB3/PWM2 RB4/TCLK12 RB5/TCLK3 RB6 RB7 RC0/AD0 RC1/AD1 RC2/AD2 RC3/AD3 RC4/AD4 RC5/AD5 RC6/AD6 RC7/AD7 RD0/AD8 RD1/AD9 RD2/AD10 RD3/AD11 RD4/AD12 RD5/AD13 RD6/AD14 RD7/AD15 RE0/ALE RE1/OE RE2/WR MCLR/VPP OSC1/CLK TEST VDD VDD 0 5V 3 0 VEE 1u 4 0 5V 12 0 DB6 10K 100K 0 SALIDA MOD (FREC) 60p 100K DB3 5 5V R/W SW1 60p DB5 0 LCD 300 0 6 0.1u 11 100K 0 10K 1
En la figura 3.8 se muestra la configuración externa del PIC18F452 para selección de cinco tiempos de radiación pensando en la aplicación de radiación láser en sistemas agrícolas fueron de: 15s, 30s, 60s, 120s y 240s y dos frecuencias, una de 10Hz para medición de energía posterior y 1500Hz para realizar pruebas de radiación.
52 Del diagrama anterior se observa que se designaron las terminales RA0-RA4 para selección de tiempos de radiación, y RB0-RB1 para seleccionar la frecuencia. La señal de salida de los tiempos de radiación etiquetada como “VCC” se encuentra en la terminal RC0 y la señal de salida de frecuencia etiquetada como “MOD” se encuentra en la terminal RC1, además se agregó una LCD para observar el tiempo y la frecuencia seleccionada.
Para generar las rutinas de tiempos de radiación y frecuencia de modulación en el microcontrolador se consideró el tiempo de ejecución de cada instrucción, que está dado por la siguiente ecuación [26]:
(3.7)
Donde:
C = numero de ciclos que dura la instrucción. f = frecuencia del cristal.
El funcionamiento del controlador es el siguiente:
1) Al seleccionar un tiempo de radiación de los cinco programados mediante los interruptores U1-U5 correspondientes a 15, 30, 60, 120, 240s respectivamente y alguna de las frecuencias correspondientes a los interruptores U6 = 1500Hz y U7 = 10Hz, el puerto RA saltara a una rutina de tiempo para comenzar con la cuenta del proceso de radiación, mientras que la terminal RC0 mantendrá encendida la fuente de alimentación. Al mismo tiempo, el puerto RB estará enviando la señal de frecuencia seleccionada hacia la terminal PWM del microcontrolador. 6 7912 . 8 4 − × = × = C f C tinst
50 La figura 3.9 muestra la señal de salida generada por el controlador para los diferentes tiempos de radiación y una frecuencia de 1500 Hz.
Figura 3. 9 Señal generada por el controlador para cinco tiempos de radiación y una frecuencia.
2) Una vez terminada la cuenta, se envía una señal a la fuente (1 lógico) para que de esta forma se apague el sistema láser y deje de radiar el objeto biólogico seleccionado, hasta que nuevamente se ejecute otra instrucción.
3) La selección del tiempo de radiación es exhibida mediante una pantalla LCD, indicando una cuenta regresiva hasta finalizar.
51 3.2.4 Circuito de Retroalimentación por fotodiodo
Como se mencionó en el capítulo 2, la manera de obtener un funcionamiento adecuado del láser de diodo es incorporando el uso de la corriente del fotodiodo [32]. El circuito propuesto se muestra en la figura 3.10:
R2 3.9 2 1 Q3 2N3904 NC R4 1k 2 1 EB Q1 2N3904 J1 1 2 3 4 5 R1 10k 2 1 GND C4 100p Q4 2N3904 VCC R9 10 2 1 + C5 10u R6 10k 2 1 DS1 + C2 10u 10k 3 1 2 C3 100pF Z1 MOD D1 Q2 2N3904 + C1 1u R8 3.9 2 1 R7 1k 2 1 R3 560 2 1