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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

Desarrollo de un detector de sismos utilizando un dispositivo láser

Tesis

que para obtener el título de

Ingeniero en Control y Automatización

Presentan:

Cortés González Aideé Jhoana

Neria Xicotencatl Emmanuel

Directores de Tesis:

Dr. Pedro Francisco Huerta González

Dr. Alexandre Michtchenko

México, D.F., Junio 2012

“La técnica al servicio de la patria”

i

Resumen

El presente trabajo muestra el desarrollo de un sensor de ondas

sísmicas, mediante la utilización de un diodo láser en conjunto con un

arreglo óptico, para forman un dispositivo capaz de detectar

movimientos longitudinales. El dispositivo, que cuenta con un péndulo

en el que está montado un diodo láser, se encarga de recibir los

movimientos causados por las ondas sísmicas para aprovechar las

propiedades de alta colimación, intensidad y enfoque del haz de luz

láser. La sensibilidad de detección depende de un arreglo óptico sobre el

que se incide el haz láser.

Para ser utilizado en el dispositivo, se elaboró un láser de diodo de

660 nm y potencia de salida de 200 mW, donde se observaron las

propiedades del haz láser como parte medular del trabajo realizado. Se

hicieron los cálculos de los ángulos de incidencia del haz, sobre los

espejos del arreglo óptico, para diferentes niveles de detección.

También, se diseñó el péndulo portador del diodo láser para detectar los

movimientos longitudinales por efecto de la inercia. Por último, se

colocó un conjunto de fotodetectores para medir los cambios del ángulo

de incidencia del haz láser al pasar por el arreglo óptico.

El sensor de ondas sísmicas permite variar la sensibilidad de

detección ajustándola a tres diferentes niveles dependiendo de la

configuración del arreglo óptico. Asimismo emite una alarma sonora y

luminosa en caso de identificar movimientos por encima del límite

establecido. Para la alimentación, es posible dotar al dispositivo con una

batería recargable auxiliar que lo provea inmediatamente, en caso de

que se produzca una falla en el suministro eléctrico.


ii

Agradecimiento

A nuestros padres, que su incansable

tolerancia ha sido precursora de nuestro

deseo por seguir adelante a pesar de las

adversidades, gracias.


iii

Objetivo

Desarrollar un sensor de ondas sísmicas tipo P o primarias

utilizando un láser de diodo.

Justificación

En el país se cuenta con un servicio sismológico encargado de

informar a la población cuando se registran temblores de magnitud

considerable debido a la importancia que requiere la oportuna

identificación de estos fenómenos naturales que, en épocas anteriores,

han significado la dolorosa pérdida de seres queridos a un gran número

familias mexicanas. Actualmente se realizan grandes esfuerzos por

alertar a la población y evitar desastres inminentes, pues debido a la

geografía del país, en cualquier momento se podría sufrir el embate de

un movimiento telúrico que pudiera poner en peligro tanto vidas

humanas como bienes materiales. Por lo anterior, es necesario

aumentar la conciencia entre las personas que se encuentran en riesgo

y así crear una cultura de prevención adecuada que permita reducir el

impacto de estos desastres naturales. Así que para apoyar en la

oportuna identificación de ondas sísmicas, el presente trabajo muestra

un dispositivo eficaz, de uso sencillo, accesible y bajo costo, para la

detección de estos movimientos de la Tierra, que permita la rápida

identificación del peligro de temblor y así alertar, sólo si es necesario,

oportunamente a las personas para que se tomen las medidas de

seguridad recomendadas en estos casos.


iv

Índice

RESUMEN i

AGRADECIMIENTO ii

OBJETIVO iii

JUSTIFICACIÓN iii

ÍNDICE iv

ÍNDICE DE FIGURAS vii

ÍNDICE DE TABLAS xii

GLOSARIO xiii

NOMENCLATURA xv

CAPÍTULO 1

Sismicidad 1

1.1. Introducción 1

1.2. Sismos 2

1.3. Ondas sísmicas 3

1.3.1. Ondas Primarias ó tipo P 4

1.3.2. Ondas Secundarias ó tipo S 5

1.3.3. Ondas superficiales 5

1.3.4. Ondas Love ó tipo L 5

1.3.5. Ondas Rayleigh 5

1.4. Sismógrafos 7

1.4.1. Sismógrafo mecánico 7

1.4.2. Sismógrafo electromagnético 8

1.4.3. Sismógrafo de banda ancha 9

1.4.4. Acelerógrafos 10

1.5. Escala de magnitud e intensidad sísmica 10


v

1.6. Sismos en México 12

CAPÍTULO 2

Antecedentes y fundamentos teóricos del láser 14


2.2. Luz 15

2.3. Láser. Amplificadores de luz 27

2.4. Diferencias entre láser y luz común 32

2.4.1. Intensidad 32

2.4.2. Luz monocromática 33

2.4.3. Coherencia 34

2.5. Láser semiconductor 35

2.6. OPSL 42

2.7. Otros tipos de láser 44

2.7.1. Láser de rubí 44

2.7.2. Láser de He-Ne 46

2.8. Seguridad en el uso del láser 47

CAPÍTULO 3

Diseño y construcción de un láser semiconductor 49


3.2. Fuente de alimentación del módulo láser 50

3.3. Controlador del láser de diodo 51

3.4. Montaje del módulo láser y arreglo óptico 56

3.4.1. Colimación 58

CAPÍTULO 4

Aplicación del láser de diodo para fabricar el sensor sísmico 63



vi

4.2. Diseño del Péndulo 64

4.3. Diseño del arreglo óptico de espejos 67

4.4. Diseño del módulo receptor 72

4.5. Costos 75

CAPÍTULO 5

Experimentación y resultados 76

CAPÍTULO 6

Conclusiones 79

BIBLIOGRAFÍA 80

ANEXO A

Módulos láser 82

Medidores de potencia del haz láser 84

ANEXO B

Seguridad láser 85


vii

Índice de figuras

Figura 1.1. Distribución de las placas tectónicas en la corteza

terrestre 2

Figura 1.2. Ondas sísmicas tipo P, S, L y R 6

Figura 1.3. Partes principales que conforman el sismógrafo

mecánico 8

Figura 1.4. Partes que conforman el sismógrafo electromagnético 9

Figura 1.5. Sismógrafo de banda ancha. Circuito de

retroalimentación 9

Figura 1.6. Ejemplos de acelerógrafos 10

Figura 1.7. Placas tectónicas que propician la actividad sísmica en

México 13

Figura 2.1. Cámara aislada que contiene un cuerpo en equilibrio

térmico, que actúa como fuente de radiación 17

Figura 2.2. Curva de radiación de un cuerpo negro 19

Figura 2.3. Representación esquemática del modelo atómico de

Bohr 22

Figura 2.4. Representación esquemática de los procesos de

interacción entre los átomos y fotones 24

Figura 2.5. Espectro electromagnético 25


viii

Figura 2.6. Representación de la interacción de átomos, en

estado base y excitados, con un flujo de fotones 29

Figura 2.7. Bombeo óptico. Distribución de las lámparas de flash

para obtener la máxima emisión de fotones 30

Figura 2.8. Partes principales del láser de gas 30

Figura 2.9. Cuadro sinóptico que muestra los tipos de bombeo

existentes para distintos tipos de láser 31

Figura 2.10. Resonador óptico 32

Figura 2.11. Comparación de las características espectrales de

una fuente de luz convencional y una fuente láser 33

Figura 2.12. Coherencia 34

Figura 2.13. Electrones de valencia y estructura cristalina del

átomo de silicio 36

Figura 2.14. Estructura del silicio dopada con átomos de indio 37

Figura 2.15. Estructura del silicio dopada con átomos de arsénico 37

Figura 2.16. Diferencia entre el material tipo N y tipo P 38

Figura 2.17. Diodo semiconductor polarizado inversamente 39

Figura 2.18. Diodo semiconductor polarizado directamente 40

Figura 2.19. Esquema del láser semiconductor 41

Figura 2.20. Salida de un diodo láser con respecto a la corriente

consumida y así como su rango de operación 42

Figura 2.21. Principio básico de operación de la tecnología OPSL 43


ix

Figura 2.22. Niveles de energía del láser de rubí 45

Figura 2.23. Niveles de energía del láser de He-Ne 46

Figura 3.1. Diagrama de bloques del módulo láser 49

Figura 3.2. Circuito de fuente de alimentación con salida de 5V

y 3V con corriente máxima de 1A 50

Figura 3.3. Aspecto físico y distribución de los pines del diodo

láser 53

Figura 3.4. Configuraciones comunes de los diodos láser que

pueden ser manejados en modo automático para el

control de potencia 53

Figura 3.5. Controlador para regular la corriente y mantener

constante la tensión de salida para un diodo láser 54

Figura 3.6. Controlador del diodo láser 56

Figura 3.7. Estructura tubular encargada de guardar el módulo

láser 56

Figura 3.8. Aspecto físico de la estructura tubular y el disipador de

calor del láser semiconductor 57

Figura 3.9. Corriente de umbral de un diodo láser de acuerdo a

la temperatura 57

Figura 3.10. Diodo láser con disipador de calor 58


x

Figura 3.11. Distribución espacial del haz de luz emitido por un

láser de diodo 59

Figura 3.12. Luz divergente proveniente de un láser semiconductor

sin colimar 59

Figura 3.13. Haz láser colimado y enfocado 60

Figura 3.14. Sistema óptico utilizado para la colimación del haz láser 61

Figura 3.15. Aspecto físico del láser de diodo elaborado 61

Figura 3.16. Gráfica de la potencia de salida del diodo láser con

respecto a la corriente 62

Figura 4.1. Péndulo del sismógrafo 64

Figura 4.2. Paso óptico del haz láser 66

Figura 4.3. Dimensiones del gabinete del sismógrafo 68

Figura 4.4. Vista frontal de la distribución del arreglo de espejos

en el interior del gabinete 68

Figura 4.5. Vista lateral de la distribución de los espejos grandes

dentro del gabinete 69

Figura 4.6. Vista frontal y lateral del gabinete 70

Figura 4.7. Vista frontal del gabinete del sismógrafo construido 71

Figura 4.8. Vista superior del gabinete del sismógrafo construido 71

Figura 4.9. Aspecto físico del fotodiodo de silicio 72


xi

Figura 4.10. Arreglo de fotodiodos para la detección del haz láser 72

Figura 4.11. Circuito convertidor de corriente a tensión 73

Figura 4.12 Módulo de fotodetectores 74

Figura 4.13. Circuito convertidor de corriente a tensión para cada 74

fotodiodo

Figura 5.1. Principio de funcionamiento del sismógrafo 76

Figura 5.2. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico

medio 77

Figura 5.3. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico

mínimo 78

Figura A.1. Controlador de diodo láser con salida constante de

2v para diodo láser de 540 nm (haz de luz verde) 82

Figura A.2. Módulos láser de 3 mW y λ=650 nm 83

Figura A.3. Unidad de colimación de luz láser 83

Figura A.4. Lentes para colimar luz del diodo láser 83

Figura A.5. Medidor de potencia óptica de salida del diodo láser 84

Figura B.1. Etiqueta preventiva presente en los productos láser 86

Figura B.2 .Gafas de protección contra la exposición accidental al

haz láser de longitud de onda de 600 nm a 760nm 87


xii

Índice de tablas

Tabla 1.1. Velocidad y riesgo de los tipos de ondas sísmicas 7

Tabla 1.2. Escala modificada de Mercalli 11

Tabla 2.1. Rangos de frecuencia y longitud de onda en el vacío

aproximados para los distintos colores 26

Tabla 3.1. Descripción de los dispositivos mostrados en el

circuito de la fuente de alimentación 51

Tabla 3.2. Características del diodo láser 52

Tabla 3.3. Descripción de los dispositivos mostrados en el

circuito del controlador del diodo láser 54

Tabla 3.4. Valores medidos de la corriente consumida por el diodo

láser y su potencia de salida 62

Tabla 4.1. Costo del gabinete para sismógrafo 75

Tabla 4.2. Costo del módulo láser fabricado 75


xiii

Glosario

Bombeo Aplicación de la energía necesaria para lograr

que los átomos de la cavidad láser pasen a su

estado excitado y realizar la inversión de

población, el tipo de sistema de bombeo depende

del medio activo

Coherencia Característica importante del campo

electromagnético donde las ondas viajan en fase

tanto en el tiempo como en el espacio

Colimación Alineación de los rayos de luz emitidos por una

fuente luminosa haciendo que viajen

paralelamente uno con otro

Divergencia Característica presente en el haz de luz emitido

por un diodo laser sin colimar. Consiste en el

incremento del diámetro del haz a medida que

aumenta su distancia con respecto a un

observador

Foco Lugar donde se origina el movimiento sísmico

Láser Acrónimo en idioma inglés de Amplificador de luz

mediante la emisión estimulada de radiación

Luz monocromática Luz compuesta sólo por una longitud de onda. La

luz láser es considerada generalmente como de

éste tipo


xiv

Máser Acrónimo en idioma inglés de Amplificador de

microondas mediante la emisión estimulada de

radiación

Ondas tipo P También denominadas ondas primarias, son las

que transportan las partículas del medio en la

dirección de propagación, produciendo

compresiones y dilataciones en el medio. Es la

más rápida de las ondas sísmicas

consecuentemente es la primera en ser sentida y

ser registrada

Ondas tipo S También denominadas ondas secundarias, son

las que se desplazan las partículas del medio

perpendicularmente a la dirección de

propagación, estas ondas son las que generan

las oscilaciones durante el movimiento sísmico y

las que producen la mayor parte de los daños.

Sólo se transportan a través de medios sólidos

OPSL Acrónimo en idioma inglés de Láser

semiconductor bombeado ópticamente

Medio activo Es el lugar donde se lleva a cabo la inversión de

población y sea posible la emisión estimulada de

fotones


xv

Nomenclatura

λ Longitud de Onda [m]

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

αλ Coeficiente de absorción [-]

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

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

σ Constante de Stefan-Boltzmann (5,67033x10-8 W/m2∙K4)

A Área de la superficie radiante [m2]

T Temperatura absoluta [°K]

E Energía [eV ó J]

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

ν Frecuencia de los osciladores [Hz]

c Velocidad de la luz en el vacío (299 792 458 ó 3x108 m/s)

kB Constante de Boltzmann (1.38 × 10−23 J/K)

P Potencia [W]

R Resistencia [Ω]

I Corriente [A]

V Tensión [V]

IADJ Corriente de la terminal de ajuste del LM317 (100 μA)

IS Corriente de saturación inversa del diodo [A]


xvi

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

k Módulo de incompresibilidad [-]

μ Módulo de corte o rigidez [-]

ρ Densidad del material a través del el cual se propaga la onda

mecánica [Kg/m3]

α Ángulo de fase de paso óptico total [°]

L Longitud máxima de paso óptico [m]

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

γ Ángulo de fase de espejos en la segunda configuración [°]

θ Ángulo de fase de espejos en la tercera configuración [°]

En el péndulo, distancia que va desde el punto fijo hasta la salida

del haz láser[m]

g Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)

Frecuencia de oscilación del péndulo [Hz]


1

CAPÍTULO 1

SISMICIDAD

1.1. Introducción

La sismología es la rama de la geofísica que se encarga del estudio

de los movimientos internos de la tierra, así como de las ondas

provocadas por estos movimientos. Éste trabajo se encuentra ligado con

la forma en que pueden ser detectadas estas ondas sísmicas, pero

desde hace miles de años ya se había mostrado interés por descubrir

una forma de detectarlas, registrarlas y analizarlas para conocer cómo

es que afectan al entorno. Desde la antigüedad, las poblaciones de

varias regiones del mundo han experimentado movimientos telúricos de

magnitud considerable, y México no ha quedado exento de estos

fenómenos. Además no es un tema nuevo para la mayoría de las

personas del país, sobre todo para aquellas que habitan en regiones de

media o alta actividad sísmica, tales como la zona costera del pacifico

mexicano y el centro del país.

En el presente capitulo se darán algunos conceptos básicos

relacionados con la sismología, que si bien no son complicados de

entender, son de gran importancia para el desarrollo de éste trabajo.

También se conocerán las zonas del país que cuentan con mayor riesgo

de sufrir sismos, los factores que propician éste hecho y los

instrumentos que se usan comúnmente para detectar las ondas

sísmicas, y que son los que se utilizan para alertar a la población cuando

existe una situación de peligro.


2

1.2. Sismos

La corteza terrestre es la capa más rígida de la tierra y por lo

tanto los movimientos que se dan dentro de ella producen fracturas

demasiado grandes. Esto hace que la corteza terrestre no esté formada

de una sola pieza, sino por diferentes partes, a cada parte se le

denomina placa. Las diferentes placas se mueven sobre un medio

semifluido que envuelven la tierra. Cuando las placas se mueven,

chocan entre ellas, haciendo que sus bordes interaccionen de diferentes

formas. La distribución de las placas tectónicas está dada como se

muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1. Distribución de las placas tectónicas en la corteza terrestre1.

1 Figura obtenida de http://www.abc.es/blogs/nieves/articolo.asp?articolo=8282 en Septiembre de 2011.


3

Los sismos son los movimientos vibratorios originados en el

interior de la tierra cuando las placas tectónicas interactúan entre sí

provocando grandes colisiones que liberan una gran cantidad de

energía. Esta energía es liberada únicamente mientras los materiales de

la corteza terrestre se reorganizan y vuelven a encontrar su estado de

equilibrio mecánico [1]. Dependiendo de la posición y de las

características de los sismos se pueden clasificar de la siguiente

manera:

Sismos interplaca: Se generan en las zonas de contacto de las

placas tectónicas. Se caracterizan por tener una alta magnitud, foco

profundo (20 km), gran liberación de energía y usualmente son alejados

de los centros de población.

Sismos de intraplaca: Su origen se da dentro de las placas

tectónicas, en las denominadas fallas locales. Se caracterizan por tener

magnitudes pequeñas o moderadas.

Sismos volcánicos: Son consecuencia de la actividad propia de

los volcanes y por lo general son de pequeña o baja magnitud.

Sismos provocados por el hombre: Son originados por

explosiones o bien por un colapso en grandes explotaciones mineras.

1.3. Ondas sísmicas

Las ondas sísmicas se propagan a través de la tierra en todas

direcciones desde el punto de origen, también denominado foco. Existen

dos grupos primordiales de ondas sísmicas, las ondas de cuerpo o

internas que se originan a partir del hipocentro, y las ondas superficiales

que se forman a partir del epicentro. Las primeras se propagan por el


4

interior de la Tierra, mientras que las segundas viajan sobre la parte

externa de la Tierra.

Las ondas de cuerpo o internas se dividen a su vez en ondas

primarias tipo P y ondas secundarias tipo S.

1.3.1. Ondas Primarias o tipo P

Se propagan a mayor velocidad, por lo que a cualquier distancia

del foco son registradas primero, al propagarse hacen vibrar las

partículas en el mismo sentido del tren de ondas, produciendo

compresión y dilatación a su paso.

Estas ondas pueden propagarse a través de los sólidos, los

líquidos y los gases, pues estos se oponen a un cambio de volumen

cuando son comprimidos y recuperan su forma elásticamente.

Generalmente viajan a una velocidad de 1.73 veces de las ondas S.

Velocidades típicas son 1450 m/s en el agua y cerca de 5000 m/s en el

granito o tierra. La velocidad de propagación (Vp), de las ondas P está

determinada por:

(1.1)

Donde:

k: módulo de incompresibilidad

μ: módulo de corte o rigidez

ρ: densidad del material a través del cual

se propaga la onda mecánica


5

1.3.2. Ondas Secundarias ó tipo S

Son ondas de cuerpo que hacen vibrar las partículas en sentido

perpendicular al de su propagación. Tienen velocidades menores que las

ondas P. También son conocidas como ondas transversales o de corte.

Como los fluidos (líquidos y gases) no pueden resistir esfuerzos de

corte, estos medios no transmiten las ondas S.

1.3.3. Ondas superficiales

Cuando las ondas generadas en el foco alcanzan la superficie son

influidas por una discontinuidad y aparecen ondas de superficie, su

velocidad es aproximadamente 0,9 veces a la de las ondas

transversales. Las ondas superficiales son producidas por las ondas de

cuerpo y se dividen en ondas Rayleigh y ondas Love.

1.3.4. Ondas Love ó Tipo L

Son ondas superficiales que se propagan de manera similar a las

ondas S haciendo vibrar las partículas horizontalmente en sentido

perpendicular al de propagación, pero sin movimiento vertical,

generando grandes esfuerzos de corte.

1.3.5. Ondas Rayleigh ó Tipo R

Son ondas superficiales que tienen un movimiento similar a las

ondas en la superficie del agua, haciendo vibrar las partículas sobre un

plano que apunta en dirección a la trayectoria de las ondas, son

movimientos son elípticos y verticales simultáneamente.


6

Figura 1.2. Ondas sísmicas tipo P, S, L y R2.

Las ondas superficiales no sólo tienen amplitudes mayores a las

ondas de cuerpo, sino que además tienen periodos más largos y debido

a su movimiento en especial el de las ondas Love, son particularmente

peligrosas para las estructuras. Las ondas L y R sólo se propagan en

discontinuidades del medio o en interfaces de un medio a otros.

La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de las

características del medio, viajando en mayor medida mediante los

sólidos y en menor a través de los líquidos. Pero de manera general, su

velocidad corresponde a la indicada en la tabla 1.1.

2 Figura obtenida de http://es.lamit.ro/sistemas-alerta-temprana-terremotos.htm en Octubre de 2011.


7

Tabla 1.1. Velocidad y riesgo de los tipos de ondas sísmicas.

Tipo de Ondas Sísmicas Velocidad promedio

(km/s) Riesgo

Primarias (longitudinales o P) 1,5 a 5 bajo

Secundarias (transversales o S) 0,86 a 3 medio

Superficiales 0,8 alto

1.4. Sismógrafos

Los sismógrafos son los instrumentos que se utilizan para registrar

los movimientos del suelo, de manera longitudinal, transversal o una

combinación de ambas, debido al paso de ondas sísmicas.

Estos dispositivos están compuestos de tres partes

fundamentales: el sensor, el amplificador y el inscriptor. El sensor

también llamado sismómetro es el que detecta el movimiento del suelo

convirtiéndolo en señal para que sea registrado. El amplificador como

su nombre lo dice ayuda a amplificar la señal del sensor. El inscriptor

permite obtener un registro de la señal obtenida por el sensor.

Además, en la sismología se consideran tres tipos de sismógrafos:

el mecánico, el electromagnético y el de banda ancha.

1.4.1. Sismógrafo Mecánico

Se basa en un péndulo o masa suspendida a un bastidor, que al

producir un movimiento del suelo se desplaza relativo a éste, en virtud

de su inercia estos movimientos son detectados por transductores o

amplificadores en función del tiempo. Está compuesto por un elemento

detector y un sistema de palancas que sirven para amplificar el


8

movimiento. El registro es realizado sobre un papel ahumado anexo a

un tambor que gira a velocidad fija.

Figura 1.3. Partes principales que conforman el sismógrafo mecánico.

1.4.2. Sismógrafo Electromagnético.

El desplazamiento de la masa genera electricidad al mover una

bobina dentro de un campo magnético de un imán, cuando se produce

un movimiento del suelo se genera una corriente en la bobina

proporcional a la velocidad del movimiento del suelo. El galvanómetro

sirve de amplificador del movimiento, si se hace incidir un haz de luz

sobre un espejo unido al hilo del galvanómetro éste sufre una desviación

y es recogida sobre un papel fotográfico que proporciona el movimiento

del sismómetro. Figura 1.4.


9

Figura 1.4. Partes que conforman el sismógrafo electromagnético.

1.4.3. Sismógrafo de Banda Ancha

Éste sistema consiste en un circuito con una retroalimentación

negativa, el cual ejerce una fuerza proporcional al desplazamiento de la

masa inercial para cancelar el movimiento relativo, un transductor

eléctrico convierte el movimiento de la masa en una señal eléctrica la

cual es una estimación de la fuerza de retroalimentación que debe

ejercerse para anular el movimiento. La señal de la salida de estos

sistemas es de un rango dinámico debido a los transductores

electromagnéticos.

Figura 1.5. Sismógrafo de banda ancha. Circuito de retroalimentación.


10

1.4.4. Acelerógrafos

Estos dispositivos miden la aceleración o la fuerza que actúa sobre

el suelo. Los acelerógrafos no registran en continuo, se activa al ser

excitado por una onda sísmica la cual es registrada por un disco digital

[2].

Figura 1.6. Ejemplos de acelerógrafos. (a) Acelerógrafo Kinemetrics k-2. (b) Acelerógrafo FB-23.

1.5. Escala de magnitud e intensidad sísmica

Las magnitudes de magnitud e intensidad se utilizan para

cuantificar y medir los sismos. La escala de magnitud está relacionada

con la energía liberada por un sismo mediante la identificación de las

ondas símicas; la de intensidad, se refiere a los daños producidos por el

sismo. Ambas escalas son necesarias porque cada una mide aspectos

diferentes de lo ocurrido en un temblor. La escala de magnitud está

relacionada con el proceso físico mismo, mientras que la de intensidad

lo está con el efecto que ocasiona el sismo en la población, las

construcciones y la naturaleza [3].


11

La clasificación de los sismos mediante los sus efectos

observables, fue el primer intento de catalogarlos. En 1902 Giussepe

Mercalli propuso una tabla que de manera ascendente, mostraba los

efectos de estos fenómenos naturales, que fue posteriormente

modificada en 1931 y desde entonces se le ha llamado escala

modificada de Mercalli. Consta de doce grados como se observa en la

tabla 1.2, donde se muestran también las características de cada grado.

Tabla 1.2. Escala modificada de Mercalli.

Escala Características

I. Microsismo, sólo detectado por

instrumentos

II. Sentido por algunas personas

(generalmente en reposo)

III. Sentido por algunas personas

dentro de edificios

IV. Sentido por algunas personas

fuera de edificios

V. Sentido por casi todos

VI. Sentido por todos

VII. Las construcciones sufren daño

moderado

VIII. Daños considerables en

estructuras

IX. Daños graves y pánico general.

X. Destrucción en edificios bien

construidos

XI. Casi nada queda en pie

XII. Destrucción total

En 1935 Charles Richter, tuvo la idea de medir la magnitud de un

sismo basado en el registro de un instrumento. Ésta magnitud fue

definida para sismos locales en California en un radio de

aproximadamente 600 km y determinada a partir de la máxima

amplitud registrada por un sismógrafo Wood Anderson con constantes


12

específicas (período = 0,8 segundos, amplificación estática = 2800 y

factor de amortiguamiento = 0,8) ubicado a 100 kilómetros de la fuente

sísmica. Para su determinación se utiliza la ecuación siguiente:

(1.2)

Donde:

Entonces, AO es la amplitud máxima que sería producida por un

sismo patrón con una deflexión de 0.001 mm en un sismógrafo ubicado

a 100 km del epicentro3.

Ésta escala de magnitud es logarítmica, así que el incremento en

una unidad de magnitud significa un aumento de diez veces la amplitud

de las ondas en el sismograma, mientras que la energía sísmica liberada

de un incremento en magnitud es equivalente al aumento de

aproximadamente 31.5 veces.

1.6. Sismos en México

La República Mexicana cuenta con varias zonas de alta actividad

sísmica debido a su ubicación geográfica, como se puede apreciar en la

figura 1.7. En la parte sur y suroeste del país interactúan la placa de

cocos, la del Pacífico, del Caribe, la norteamericana y la de Rivera. Las

flechas de color rojo indican el sentido en el que cada una se desplaza

en la corteza terrestre. Los puntos naranja indican los lugares en donde

3 Registro de una micra en el sismograma de sismógrafo Wood-Anderson.

ML: Magnitud local

A: Máxima amplitud del registro (mm)

AO: Amplitud máxima producida por un sismo patrón (mm)


13

se registran los sismos de mayor intensidad, mientras que los puntos de

color azul indican los de menor.

Figura 1.7. Placas tectónicas que propician la actividad sísmica en México.

En México, el estudio de la actividad sísmica es relativamente

reciente, pero desde tiempos remotos se han sentido los efectos de

éstos fenómenos naturales por el desplazamiento de las palcas

tectónicas o por actividad volcánica. El 5 de septiembre de 1910, por

Decreto Presidencial se creó el Servicio Sismológico Nacional, como una

dependencia del Instituto Geológico Nacional, para observar la

sismicidad del país. Para determinar con precisión el epicentro del sismo

y sus características, se requiere utilizar varias estaciones sismológicas.

En un inicio, la Red Sismológica Nacional estuvo constituida por el

Observatorio Central de Tacubaya y estaciones ubicadas en Oaxaca,

Mérida, Zacatecas, Mazatlán, Guadalajara y Monterrey. Los detectores

utilizados fueron los sismógrafos Wiechert de período corto. Éstos

sismógrafos con algunas modificaciones y mejoras han continuando en

operación hasta éstos días.


14

CAPÍTULO 2

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTOS TEÓRICOS

DEL LÁSER

2.1. Introducción

Se sabe que la tecnología láser ha dado grandes pasos en el

desarrollo de sus diferentes aplicaciones, desde sus inicios hasta la

actualidad. Esto ha significado la evolución en la forma de estudio de la

mayoría de las ciencias, como son la medicina, astronomía, biología,

geografía, etc.; también en las industrias textil y artesanal teniendo

participación en procesos donde se requiere corte, soldadura, grabado,

etc., de materiales; además de ser requeridos en la implementación de

sensores de sistemas de seguridad, industriales como parte fundamental

del control y para establecer comunicación entre diferentes equipos.

Pero principalmente su auge se debió a la investigación militar una vez

comprobadas las excelentes propiedades y ventajas de estos

dispositivos.

Los orígenes del láser se remontan al siglo XIX, cuando algunos

investigadores, mostraron interés en conocer fenómenos naturales que

la física de aquellos tiempos no podía demostrar. Lo correspondiente al

análisis del láser será expuesto en éste capítulo, indicando las bases

físicas que le dieron sustento, los principios en que se basa su

funcionamiento y se brindará un panorama general acerca de los


15

diferentes tipos que existen haciendo énfasis en el láser semiconductor

utilizado para realizar éste trabajo.

2.2. Luz

Para el análisis del láser (Light Amplification by the Stimulated

Emission of Radiation) desde sus inicios, es necesario conocer cuales

fueron aquellos fenómenos que despertaron tanta curiosidad a los

científicos del siglo XIX, y que los trabajos de estos dieron como

resultado una serie de descubrimientos que sentaron las bases para el

desarrollo de los equipos láser.

La luz, también denominada energía radiante, ha sido uno de

estos fenómenos naturales, que desde hace tiempo, un sinnúmero de

científicos han tratado de explicar. La explicación que en estos tiempos

resulta con mayor aceptación fue resultado de la teoría cuántica, que

surgió al resultar insuficiente el análisis mediante la física clásica. El

análisis de la radiación de cuerpo negro, que comenzó en 1859, muestra

el inicio de los esfuerzos de la física clásica por explicar el fenómeno de

la radiación electromagnética.

En 1859, Gustav Robert Kirchhoff se encontraba estudiando el

comportamiento de los cuerpos en equilibrio térmico durante el proceso

de intercambio de energía radiante. La radiación térmica es la energía

electromagnética emitida por todos los objetos, cuya fuente es el

movimiento al azar de los átomos que lo constituyen. El aporte científico

de Kirchhoff fue la determinación de las habilidades que tiene un cuerpo

para emitir y absorber energía electromagnética. Así que definió un

coeficiente de emisión (ελ) y otro de absorción (αλ), para un pequeño


16

rango de longitud de onda (λ). Además determinó la relación existente

entre ambos mediante una función de distribución (Iλ), la cual depende

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

manera:

(2.1)

Donde:

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

unidad de tiempo, emitida en un pequeño rango de λ. El coeficiente de

absorción es la fracción de la energía radiante incidente absorbida por

unidad de área y unidad de tiempo dentro de ese rango de λ. Kirchhoff

consideró una cámara aislada de algún tipo que se encontraba en

equilibrio térmico con temperatura T fija, entonces concluyó que en

todas las longitudes de onda la cantidad total de energía absorbida por

las paredes debía ser la misma que la cantidad emitida por ellas, debido

a que la temperatura se mantenía constante. Si bien es cierto que no

logró definir la función general de distribución de la energía, observó

que un cuerpo perfectamente absorbente (αλ =1) aparecerá negro, es

decir, Iλ=ελ. También, la función de distribución para un objeto

perfectamente negro es la misma que para una cavidad aislada a la

misma temperatura. La distribución de energía radiante en equilibrio en

el interior de una cavidad aislada es siempre la misma como si

proviniera de un cuerpo negro a la misma temperatura. Entonces, la

energía que saliera de un pequeño agujero en la cámara debería ser

idéntica a la radiación proveniente de un objeto perfectamente negro a

la misma temperatura [4].

ελ: Coeficiente de emisión

αλ: Coeficiente de absorción (a-dimensional)

Iλ: Función de distribución (J/m3 ó W/m3)


17

Figura 2.1. Cámara aislada que contiene un cuerpo en equilibrio térmico, que actúa como fuente de

radiación.

Tiempo más tarde, en 1865 John Tyndall publicó resultados

experimentales en los que estableció que los cuerpos con mayor

temperatura emitían más energía total que los de menor temperatura. Y

en 1879 Josef Stefan, con un poco de suerte, dedujo que la velocidad a

la cual se radia la energía es proporcional a T4. Ambos aun se

encontraban lejos de encontrar la radiación emitida por el cuerpo negro,

sin embargo, L. Boltzmann en 1884 dio, a los trabajos de los

investigadores anteriores, un fundamento teórico mientras realizaba

estudios de la presión de la radiación ejercida sobre un pistón en un

cilindro, aplicando leyes de la termodinámica y las leyes de Kirchhoff.

Así definió la ley de Stefan-Boltzmann para los cuerpos negros, al

analizar las ondas electromagnéticas como si fueran átomos de un gas

dentro de un cilindro, quedando definida de la siguiente manera:

(2.2)

Donde:

PT: Energía radiante total a todas las longitudes de onda

σ: constante universal de Stefan-Boltzmann = 5,67033X10-8 W/m2∙K4

A: Área de la superficie radiante

T: Temperatura absoluta en Kelvin

Energía Radiante Fuente

Iλ =ελ


18

Entonces se puede decir que los cuerpos que no están a cero

Kelvin radian, y como T se eleva a la cuarta potencia, la energía

radiante resulta ser muy sensible a las variaciones de temperatura. Al

aumentar la temperatura de un objeto también cambia la distribución de

la energía emitida entre las diferentes λ presentes. Como ejemplo

visible se puede mencionar que cuando el filamento de una bobilla se

encuentra en un estado normal, presenta un color amarillo casi rojizo,

mientras que cuando se funde aumenta su temperatura, y puede

presentar un fuerte brillo blanco y azulado. Finalmente los últimos

aportes de la teoría clásica, en el estudio de la radiación de cuerpo

negro, fueron expuestos por el físico alemán Wilhelm Otto Fritz Franz

Wien en 1893, quien formuló la llamada ley de desplazamiento que lleva

su nombre. Él determino que cada curva de un cuerpo negro alcanza su

altitud máxima en un valor de longitud de onda (λmax) y de temperatura

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

máxima energía. Wien demostró que:

(2.3)

Donde:

En la ecuación 2.3 se puede observar que la longitud de onda es

inversamente proporcional a la temperatura, por lo tanto, al aumentar la

temperatura el bloque de radiación, que se observa en la figura 2.2, se

desplazara a longitudes de onda más cortas, y frecuencias más

elevadas.

Constante: 0,002898 m∙K


19

Figura 2.2. Curva de radiación de un cuerpo negro. La hipérbola que atraviesa el punto máximo

corresponde a la ley de Wien4.

Wien sólo consiguió trabajar con valores de λ pequeños, que de

acuerdo con sus experimentos, resultaban aproximadamente correctos.

Mientras que su ley no daba los mismos resultados cuando se disponía a

trabaja con longitudes de onda más elevadas. La teoría clásica parecía

fracasar debido a que todos los intentos hechos hasta ese momento

para ajustar la curva de radiación completa, con una expresión teórica

basada en el electromagnetismo, parecían inútiles.

En el año de 1900, Max Karl Ernst Ludwig Planck, presentó una

ecuación de la distribución, que en su búsqueda había dado tanto

trabajo a los anteriores científicos, basándose en los estudios de

Kirchhoff, Maxwell y Boltzmann. En esta ecuación consideraba que las

ondas electromagnéticas estaban en equilibrio en el interior de una

cavidad, por lo tanto en su interior se emite y absorbe toda la radiación

electromagnética, tal como lo había mencionado Kirchhoff. Esto es, un

4 Figura obtenida de www.didactika.com/fisica en Agosto de 2011.


20

cuerpo negro ideal. Y aplicando erróneamente el análisis estadístico de

Maxwell-Boltzmann, que había sido utilizado para comprobar la teoría

cinética de los gases, decidió considerar, como caso especial, que la luz

se componía por pequeñas partículas que interactuaban de manera

independiente con las paredes de la cavidad. Planck supuso que cada

oscilador de la pared de la cámara podía absorber y emitir sólo

cantidades discretas de energía proporcionales a su frecuencia

oscilatoria. Debido a que había considerado que la energía estaba

repartida momentáneamente en pequeñas secciones, asignó a estas

partes un valor pequeño de acuerdo a su frecuencia y a una constante

diminuta obtenida con anterioridad, mejor conocida actualmente como

la constante de Planck. Así que fijo el valor de cada elemento energético

como:

(2.4)

Donde:

Planck fue, sin percatarse de ello, el primero en advertir que la luz

o radiación electromagnética puede ser analizada como una onda

continua y como pequeñas unidades energéticas. Asimismo, determino

la ecuación para la irradiancia espectral, que se ajustaba perfectamente

a los datos obtenidos por los cuerpos negros, respondiendo a los

planteamientos hechos por Kirchhoff:

(2.5)

2

E: Energía

h: Constante de Planck = 6,6260755 x 10-34J∙s

ν: Frecuencia de los osciladores


21

Donde:

Albert Einstein fue el científico que más tarde daría cuenta de una

teoría que revolucionaría la física hasta entonces conocida. En 1905 fue

el primero en dar una definición formal del fotón gracias a su fantástico

trabajo teórico sobre el efecto fotoeléctrico. El estableció que el campo

electromagnético está cuantificado, es decir, cada fotón que lo compone

tiene una energía determinada por la frecuencia del campo de radiación

y la constante de Planck, tal y como lo planteo éste ultimo.

Los fotones son las partículas fundamentales de la radiación

electromagnética, sin carga, sin masa y estables que sólo existen a la

velocidad de la luz. Estas partículas no se pueden observar

directamente, en cambio, es posible analizarlas cuando se crean o

destruyen [5].

La teoría atómica está íntimamente relacionada con la luz, ya que

la luz surge de los procesos energéticos que se llevan a cabo en los

átomos.

El modelo atómico de Niels Bohr presentado en 1913, es el que

sentó las bases para física cuántica. Éste modelo es similar a un sistema

solar en miniatura con un centro o núcleo como el sol, y una serie de

electrones en órbita como si fuesen planetas. Figura 2.3. En éste modelo

Bohr postuló que los electrones en un átomo se mueven en orbitas

circulares alrededor del núcleo bajo la influencia de atracción de


c: Velocidad de la luz

kB: Constante de Boltzmann = 1.38 × 10 23 J/K


22

Coulomb entre dichos electrones y el núcleo. Los electrones sólo tienen

la posibilidad de moverse en una órbita, y aunque tengan aceleraciones

persistentes al moverse en una de estas orbitas, no radian energía

electromagnética, es decir, su energía total permanece constante. Sólo

se emite radiación electromagnética cuando un electrón, que se mueve

en una órbita de energía total Ei, cambia su movimiento de manera

variable para pasar a otra orbita de energía total Ef. La frecuencia de la

radiación emitida queda determinada como:

(2.6)

Donde:

La ecuación 2.6 es igual al postulado hecho por Einstein.

Figura 2.3. Representación esquemática del modelo atómico de Bohr, donde un electrón pasa de

una órbita a otra.

Como se menciono anteriormente, existe una relación muy

estrecha entre la radiación electromagnética y los átomos. Como se ha

visto hasta ahora, se puede observar que los cuerpos emiten energía


v: Frecuencia de la radiación

Ei: Energía de la órbita inicial

Ef: Energía de la órbita de destino


23

electromagnética cuando se calientan esto debido a que el calor se

transmite a los átomos por colisiones entre ellos, generando un espectro

característico que depende de su temperatura. Si se analiza

microscópicamente el proceso que lleva a cabo un átomo para emitir

energía electromagnética o luz se observa que, cada uno de los

electrones, sufren oscilaciones al pasar de un orbital superior a uno

inferior. A éste proceso se le denomina emisión. En la interacción entre

el átomo y la radiación electromagnética, la emisión puede ser de dos

maneras: mediante emisión espontanea y emisión estimulada. Además

existe otro tipo de interacción que puede llevarse a cabo, y que

convenientemente se explicara primero, es la absorción.

La absorción se presenta cuando se tiene un átomo que

inicialmente se encuentra en un estado base, con un electrón en la

primer orbita o nivel y que, como mencionó Bohr, no emite radiación

electromagnética. Entonces sobre éste átomo incide un fotón que tiene

una energía igual a la diferencia de energía E2-E1, haciendo que el

electrón pase del primer nivel a otro mayor, obteniendo como resultado

que el átomo quede en estado excitado. Figura 2.4 (a).

La emisión espontanea se lleva a cabo cuando se tiene

inicialmente un átomo en estado excitado que de forma espontanea, y

en un tiempo de alrededor de 10-8 s, pasa a su estado base emitiendo

en éste proceso un fotón con energía igual a la diferencia de energía

entre ambos estados. El fotón resultante es emitido en dirección

aleatoria. Figura 2.4 (b).


24

Figura 2.4. Representación esquemática de los procesos de interacción entre los átomos y

la energía electromagnética en forma de cuantos (fotones). (a) Absorción. (b) Emisión espontanea.

(c) Emisión estimulada.

La emisión estimulada, propuesta por Einstein en 1917, se logra

cuando se tiene un átomo que se encuentra, primeramente, en estado

excitado y éste interactúa con un fotón. Así que el átomo libera la

energía en exceso, emitiendo un fotón que tiene la misma fase y

dirección que el fotón inicial. Éste es el proceso en el que se basa el

funcionamiento del láser [6]. Figura 2.4(c).


25

Ahora se hablara un poco acerca de la relación entre la luz y la

radiación electromagnética, la cual se presenta en una amplia gama de

longitudes de onda y frecuencias, aunque en el vacio todas viajan a la

misma velocidad.

En 1867 Maxwell publicó la primera descripción extensa de su

teoría electromagnética, donde la banda de frecuencias que se conocía

se apreciaba solamente desde el infrarrojo, pasando por el visible,

llegando hasta ultravioleta. Éste segmento representaba una pequeña

parte del extenso espectro electromagnético. Figura 2.5.

Figura 2.5. Espectro electromagnético5.

En la figura 2.5 se da una descripción de cómo está distribuido el

espectro electromagnético, partiendo de las ondas de radiofrecuencia,

las microondas, el infrarrojo, el visible, la región ultravioleta,

continuando con los rayos X y por último los rayos gamma que son la

radiación electromagnética con la longitud de onda más corta.

5 Figura obtenida de http://utopia.cord.org/step_online/st1-1/st1-1frameset2.htm en Agosto de 2011.


26

El rango de las ondas de radiofrecuencia se extiende desde unos

pocos Hertz hasta 109 Hz. Y tiene longitudes de onda desde varios

kilómetros hasta 0,3 metros aproximadamente. La región de microondas

se extiende desde 109 Hz hasta alrededor de 3,0 x 1011 Hz, con λ de 30

cm a 1,0 mm. Mientras que la región infrarroja se encuentra

aproximadamente desde 3,0 x 1011 Hz, hasta alrededor de 4,0 x 1014 Hz.

Ésta banda de radiación electromagnética se encuentra debajo de la luz

roja y se subdivide en cuatro regiones: IR cercano (780-3.000 nm), el

IR intermedio (3.000-6.000 nm), el IR lejano (6.000-15.000 nm) y el IR

extremo (15.000 nm - 1,0 mm).

La luz corresponde a la radiación electromagnética en la banda

estrecha de frecuencias de 3,84 x 1014 Hz hasta aproximadamente 7,69

x 1014 Hz. Isaac Newton fue el primero en reconocer que la luz blanca

era en realidad una mezcla de varios colores, los cuales componen el

espectro visible. Demostró que un prisma despliega la luz, separándola

en sus colores constitutivos.

Tabla 2.1. Rangos de frecuencia y longitud de onda en el vacío aproximados para los distintos

colores6.

Color λ (nm) v (THz)7 Rojo 780-622 384-482

naranja 622-597 482-503

Amarillo 597-577 503-520

Verde 577-492 520-610

Azul 492-455 610-659

Violeta 455-390 659-769

Muy cerca de la luz se encuentra la región ultravioleta en la banda

del espectro electromagnético correspondiente aproximadamente de 8 x

6 Tabla obtenida de Óptica, Eugene Hecht, p. 77.

7 1 Terahertz (THz) = 10

12 Hz, 1 nanómetro (nm) = 10

-9 m.


27

1014 Hz hasta 3 x 1016 Hz. Posteriormente se encuentran los rayos X con

una frecuencia de aproximadamente 2,4 x 1016 Hz a 5 x 1019 Hz, su

longitud de onda es demasiado corta, ya que la mayoría son más

pequeñas que un átomo. Y por último tenemos a los rayos gamma que

son la radiación electromagnética con la longitud de onda más corta, en

contraste con su energía que es la más elevada. Esta energía va de 104

eV hasta 1019 eV8 [7].

2.3. Láser. Amplificadores de luz

Como se menciono con anterioridad la palabra Láser es las siglas

de la frase en idioma inglés Light Amplification by the Stimulated

Emission of Radiation, que en el idioma español se define como la

amplificación de luz mediante la emisión estimulada de radiación.

Entonces cabe retomar el proceso de emisión estimulada expuesto

anteriormente y que es el principio en el que se basa el funcionamiento

del láser. La emisión estimulada se lleva a cabo mediante la inversión de

población, proceso en el que se busca mantener la mayor cantidad de

electrones, de un átomo, en los niveles superiores. Cuando los átomos

en estado excitado interactúan con fotones, comienza a realizarse la

emisión estimulada.

Los primeros dispositivos que trabajaron mediante éste principio

fueron los denominados Máseres, en 1953. La palabra Máser significa

amplificación de microondas mediante la emisión estimulada de

radiación. Debido a la realización de éste dispositivo, los físicos Charles

Hard Townes de Estados Unidos, y los rusos Nicolay Gennadiyevich

Basov y Aleksandr Mikhailovich Prokhorov, conjuntamente recibieron el

8 1 eV = 1.60217646 × 10

-19 J


28

premio nobel de física en 1964. La fabricación del primer láser funcional

se le atribuye al físico estadounidense Theodore Harold Maiman, en

1960. Éste dispositivo estaba formado por una barra de rubí con

extremos reflejantes y rodeados por una lámpara helicoidal de destellos.

Más adelante se brindará una descripción general y se detallara su

funcionamiento, así como el de algunos láseres comunes.

Para observar de mejor manera como es que se lleva realiza la

inversión de población se puede imaginar un cilindro o una cavidad

como la que se muestra en la figura 2.6. Se puede observar que se

tiene un flujo de fotones inicial (fi) y un flujo de salida (fo). Ahora

suponemos que en el interior del cilindro se encuentra una cantidad

arbitraria de átomos, algunos de los cuales están en estado base (N1) y

otros en estado excitado (N2). Cuando estos átomos con diferentes

estados energéticos interactúen con los fotones, se llevaran a cabo

procesos de absorción (para los átomos en estado base) y de emisión

estimulada (para los átomos en estado excitado). Como en el interior

del cilindro se generan procesos opuestos si el valor de N2=N1, la

absorción reducirá la radiación por emisión estimulada, haciendo que en

la salida fo no se halle emisión alguna. De igual manera, si la cantidad

de N1>N2, entonces el proceso de absorción dominara, contrarrestando

el flujo fi. En contraste con lo anterior, si la cantidad de N2>N1, se verá

un incremento en el flujo de fotones fi, haciendo que se amplifique la

salida fo. De esta manera es como se realiza la amplificación de la luz.


29

Figura 2.6. Representación de la interacción de átomos, en estado base (N1) y excitados (N2), con

un flujo de fotones. El flujo de entrada está indicado por fi y el flujo de salida por fo. L es la longitud

del cilindro.

Los amplificadores ópticos o de luz generalmente son como el

cilindro de la figura 2.6. Para que la cantidad de átomos en estado

excitado sea mayor que la de átomos en estado base, y que se produzca

la inversión de población, es necesario utilizar un dispositivo que brinde

la energía necesaria para que los átomos de la cavidad pasen del estado

base, al excitado. El sistema de bombeo es el encargado de realizar esta

función.

Existen varios tipos de sistemas de bombeo, que dependen del

medio activo9 que se excite, como se muestra en la figura 2.9. Los tipos

de sistemas de bombeo más comunes son el óptico y el que se genera

mediante aplicación de corriente eléctrica. En el bombeo óptico la

excitación de los átomos se debe a la luz emitida por un sistema ajeno

al mismo. Debido a grandes destellos de lámparas de flash, colocadas

de tal manera que se ilumine toda la cavidad, se emiten fotones que son

absorbidos por los átomos en estado base haciéndolos pasar a su estado

excitado.

9 El medio activo puede ser prácticamente cualquier estado de agregación de la materia.


30

Figura 2.7. Bombeo óptico. Distribución de las lámparas de flash para obtener la máxima emisión

de fotones en la cavidad amplificadora. La superficie reflejante permite la concentración de la luz10

.

El sistema de bombeo mediante la aplicación de corriente

eléctrica, es utilizado principalmente en láseres con medio activo

gaseoso y en láseres semiconductores. En el láser de gas, consiste

generalmente en un tubo de descarga que contiene el gas como se

observa en la figura 2.8. La descarga se produce debido a una alta

tensión entre el cátodo y el ánodo situados en el interior. Los electrones

que produce la descarga toman una gran energía cinética que es

transferida a los átomos y moléculas cuando colisionan en el interior del

tubo de descarga, haciendo que se pueblen los niveles de energía

superiores.

Figura 2.8. Partes principales del láser de gas. El espejo parcialmente reflejante permite la salida

de una parte de la radiación electromagnética11

.

10

Figura obtenida de El láser, Vicente Aboites, p. 29.


31

En el láser semiconductor o diodo láser, el bombeo se realiza

pasando corriente eléctrica a través de un componente en estado sólido

con una unión P-N, siendo aquí donde se realiza la inversión de

población.

Figura 2.9. Cuadro sinóptico que muestra los tipos de bombeo para distintos tipos de láser12

.

Como se vio con anterioridad, la cavidad donde se realiza el

bombeo debe cumplir con ciertas características para que se pueda

alcanzar un máximo rendimiento en la emisión. Es necesaria la

utilización dos espejos alineados perpendicularmente al eje óptico, que

encierren al medio activo como se ve en la figura 2.10. El espejo que se

11

Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 169. 12

Figura obtenida de Aplicaciones industriales del láser, L. Bachs, p. 19.


32

encuentra en la parte posterior a la salida del haz es totalmente

reflejante, mientras que el otro será casi totalmente reflejante. Esto

permitirá que se tenga una pequeña cantidad de radiación a la salida y

que la otra parte, en mayor cantidad regrese al resonador para seguir

realizando el proceso de emisión estimulada con otros átomos en estado

excitado. A la salida del resonador se obtiene un haz luminoso con todas

las características de la luz láser.

Figura 2.10. Resonador óptico.

2.4. Diferencias entre láser y luz común.

Desde el punto de vista óptico, la luz láser presenta las siguientes

características: tiene muy alta intensidad, es monocromática, está casi

perfectamente colimada y presenta una alta coherencia. A continuación

se dará la descripción de cada una de estas características, resaltando

sus bondades en comparación a la luz común generada por otras

fuentes, tales como las lámparas de uso domestico o el sol.

2.4.1. Intensidad láser

La alta direccionalidad o baja divergencia del haz láser permite

concentrar toda la energía emitida sobre una región pequeña, dando


33

como resultado una alta intensidad, es decir, alta potencia de luz por

unidad de área. En contraste se tiene la luz proveniente de una fuente

común que emite su energía en todas direcciones, aumentando la región

de emisión haciendo que la intensidad se reduzca. Debido a esto, un haz

láser con potencia de 1 mW13 parece más intenso que una lámpara de

100 W. Además la intensidad de la luz ordinaria decrece rápidamente al

aumentar la distancia de la fuente con respecto a un observador.

2.4.2. Luz monocromática

Se dice que un haz de luz es monocromático cuando está

compuesto solamente de una longitud de onda. A diferencias de las

fuentes convencionales de luz, que tienen diferentes longitudes de onda

a lo largo del espectro electromagnético, la luz láser se considera

generalmente como monocromática [8].

Figura 2.11. Comparación de las características espectrales de una fuente de luz convencional y

una fuente láser14

.

13

Watts (W) ó miliwatts (mW), son las unidades en las que se mide la potencia del haz láser. 14

Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 121.


34

2.4.3. Coherencia

Otra característica importante de los láseres es la producción de

luz coherente. Esto debido a que tienen su campo electromagnético

completamente en fase, es decir, existe una relación fija de fase entre

dos ondas o dos puntos de la misma onda. La coherencia es importante

para mediciones basadas en interferencia. El fenómeno de la coherencia

es dependiente del espacio y del tiempo, por lo que normalmente se le

considera como coherencia espacial y coherencia temporal.

La coherencia espacial se refiere al fenómeno mediante el cual la

diferencia de fase entre dos puntos de un frente de onda de un campo

electromagnético se mantiene constante con el tiempo [9]. Figura 2.12

(b).

Figura 2.12. Coherencia. (a) Coherencia perfecta. (b) Haz espacialmente coherente con

coherencia temporal parcial en t0. (c) Haz completamente incoherente15

.

15

Figura obtenida de Principles of laser materials processing, Elijah Kannatey-Asibu, Jr. p. 123


35

La coherencia temporal, por otro lado, se refiere a la situación

donde la diferencia de fase, entre el frente de onda de un campo

electromagnético y un punto dado P en un tiempo t, y que en el mismo

punto P y el tiempo t + τ0, se mantiene constante con el tiempo. Figura

2.12 (b).

2.5. Láser semiconductor

Adentrarse en el conocimiento de los láseres semiconductores o

láseres de diodo, resulta demasiado significativo para éste trabajo,

debido a que el funcionamiento del dispositivo que se desea desarrollar

se fundamenta en utilización de un láser de éste tipo.

Los materiales semiconductores son aquellos que tienen la

capacidad de conducir una corriente eléctrica, en mayor medida que los

materiales aislantes y en menor que los conductores, es decir, se

encuentran ubicados en un lugar intermedio. Su capacidad de

conducción se debe a los enlaces que existen entre los átomos que los

componen. Como se explico anteriormente en el modelo atómico de

Bohr, los átomos están constituidos por niveles energéticos que

asemejan un sistema solar, en los cuales giran cierta cantidad de

electrones. En el último nivel de energía se encuentran los electrones de

valencia, que tienen mayor vulnerabilidad a ser liberados o cedidos a

otros átomos, porque están más alejados del núcleo. El átomo de silicio,

por ejemplo, tiene cuatro electrones de valencia, con los cuales se

enlaza con otros átomos tal como se muestra en la figura 2.13.


36

Figura 2.13. Electrones de valencia y estructura cristalina del átomo de silicio.

A pesar del enlace covalente en la unión de los átomos de silicio,

es posible que se genere la suficiente energía cinética, por acción

térmica o luminosa, para lograr romper el enlace y que algunos

electrones adquieran un estado libre. Los electrones libres son los que

hacen posible la conducción de energía eléctrica a través del material.

Entre los materiales semiconductores se encuentran, además del

silicio, al germanio que presenta características muy similares en su

estructura atómica, y compuestos tales como el arseniuro de galio y el

sulfuro de plomo. Una ventaja considerable de los materiales

semiconductores es la capacidad de incremental su conductividad de

manera controlada. Esto es posible gracias a la modificación de la

estructura molecular del material. Cuando se está creando el

semiconductor se le agregan algunos átomos con diferente número de

valencia, tales como el bario, el galio o el indio, que cuentan con tres

electrones de valencia. De esta manera se logra que en la estructura

queden algunos espacios vacios con carga positiva, como se muestra en

la figura 2.14. Éste proceso es conocido como dopaje del material.

Figura 2.14.


37

Figura 2.14. Estructura cristalina del silicio dopada con átomos de indio.

El material resultante del proceso anterior se le denomina material

tipo P debido a que hay una ausencia de carga negativa para completar

el enlace, dejando un hueco con carga positiva. En contraste, si se

agrega a la estructura del silicio átomos con cinco electrones de

valencia, como el fosforo, el arsénico, el bismuto o el antimonio, el

resultado será un material tipo N, en el que se presentan los cuatro

enlaces covalentes junto con un electrón adicional proveniente del

átomo que provoca la impureza, también llamado átomo donador. Éste

electrón queda relativamente libre como para moverse dentro del

material tipo N, siendo sensible a la aplicación de corriente eléctrica.

Figura 2.15. Estructura cristalina del silicio dopada con átomos de arsénico.


38

El diodo semiconductor se forma al unir una capa de material tipo

N y otra capa de material tipo P. En el material tipo N el número de

electrones excede por mucho el número de huecos, estos electrones son

denominados portadores mayoritarios y los huecos portadores

minoritarios. Mientras que para el material tipo P el número de huecos

es mucho mayor que el número de electrones, así que los huecos serán

ahora los portadores mayoritarios y los electrones minoritarios. Figura

2.16.

Figura 2.16. Diferencia entre el material tipo N y tipo P.

Cuando los dos materiales se unen, en la región de unión, los

electrones y los huecos se combinan originando una carencia de

portadores en la región cercana a la unión. La región que se forma por

los iones positivos y negativos descubiertos es la región de agotamiento,

debido a la disminución de portadores en esta zona como se observa en

la figura 2.17.


39

Si al diodo semiconductor le aplicamos una tensión conectando el

polo positivo al material tipo N, el potencial positivo atraerá los

electrones. Y si el polo negativo lo conectamos al material tipo P, los

huecos serán atraídos por el potencial negativo. Los iones, tanto

positivos como negativos para el material tipo N y P respectivamente en

el área de agotamiento, se incrementaran creando una barrera que

detendrá el paso de los portadores mayoritarios en cada caso. Figura

2.17. Entonces, en sentido estricto, no habrá circulación de corriente

por el diodo debido a que se encontrara polarizado inversamente. Existe

una pequeña corriente que se genera en la polarización inversa (IS),

llamada también como corriente de saturación, porque alcanza

rápidamente su nivel máximo y se mantiene casi constante, siempre

que el diodo se encuentre en condiciones normales de operación.

Figura 2.17. Diodo semiconductor polarizado inversamente.

Si hacemos lo contrario al caso anterior y ahora aplicamos el

potencial negativo al material tipo N y potencial positivo al tipo P,

obtendremos como resultado que la tensión aplicada presionara los

portadores mayoritarios de ambos materiales para que se recombinen

con los iones cercanos a la zona de unión, resultando en la reducción del


40

ancho de la zona de agotamiento y a su vez se permitirá un flujo

considerable de portadores mayoritarios a través de la unión. Figura

2.18. Entonces se permite el paso de la corriente de diodo (ID).

Figura 2.18. Diodo semiconductor polarizado directamente.

Durante la recombinación de huecos y electrones pueden ser

emitidos fotones que generalmente se encuentran en la región infrarroja

del espectro. Los láseres de diodo son creados mediante la selección

adecuada de los materiales tipo N y P para la formación de una cavidad

láser donde la región activa es la unión entre ambos componentes. En la

figura 2.19 se muestra uno de estos diodos láser. Como puede

observarse, la unión es un plano ubicado dentro de la estructura, el

espesor de esta región de unión es pequeño, por lo general alrededor de

un micrómetro. Dos de los lados perpendiculares a la unión son ásperos

con el fin de reducir su reflectividad. Los otros dos lados se pulen para

hacerlos ópticamente planos y paralelos. Estas dos superficies forman

los espejos en la cavidad láser.


41

Figura 2.19. Esquema del láser semiconductor16

.

La corriente a través de la unión deberá ser superior al umbral

mínimo. Si la corriente de entrada es baja, el dispositivo funciona como

un diodo emisor de luz (LED), produciendo luz incoherente de baja

potencia. Cuando se alcanza la corriente de umbral, la inversión de

población es lo suficientemente grande para general la emisión

estimulada y así superar las pérdidas [10]. A medida que aumenta la

corriente por encima del valor de umbral, la potencia de radiación

aumenta mucho más rápidamente, emitiendo ahora luz láser coherente.

Figura 2.20.

Además se observa que si la corriente de operación del diodo láser

es superada, se genera un daño comúnmente irreparable en éste

dispositivo.

16



42

Figura 2.20. Salida de un diodo láser con respecto a la corriente consumida y su rango de

operación.

Los diodos láser ofrecen muchas ventajas, incluyendo su tamaño

pequeño, son ligeros, consumen poca energía y tienen una alta

eficiencia por encima del 30%. Éste tipo de láser ha sido ampliamente

utilizado como fuentes de luz para una amplia variedad de aplicaciones,

incluyendo reproductores de discos compactos, impresoras,

almacenamiento de datos magneto-ópticos y telecomunicaciones

mediante fibra óptica [11].

2.6. OPSL

En la última década, los láseres de estado sólido habían estado

remplazando a los que tienen como medio activo el estado gaseoso,

debido a su mayor rendimiento y seguridad. Sin embargo, también

habían presentado algunas limitaciones en las longitudes de onda y los

rangos de potencia en los que se podían operar.

A finales de los años 90 se comenzaron a desarrollar nuevos

métodos de operación de los láseres de estado sólido para revertir las

restricciones que estaban presentando, pero fue hasta el año dos mil


43

uno que se empezaron a comercializar los dispositivos más

desarrollados actualmente, es decir, los OPSL’s.

OPSL son las siglas de las palabras en idioma inglés Optically

Pumped Semiconductor Laser. Estos dispositivos son capaces de

trabajar en un amplio rango de longitudes de onda que van desde el UV,

el espectro visible y el IR. También ofrecen variabilidad en la potencia

óptica de salida, para apegarse a las características del proceso o

sistema al que se desea aplicar la tecnología láser.

Figura 2.21.Principio básico de operación de la tecnología OPSL17

.

En la figura 2.21 se muestra el principio básico de funcionamiento

de la tecnología OPSL, donde se muestra un láser pulsado que incide su

17

Figura obtenida de www.coherent.com


44

haz de luz sobre un lente que concentra la potencia sobre un chip OPS.

El chip emite la luz de manera perpendicular a la unión de los

materiales semiconductores, lo que brinda una mayor área de emisión,

en comparación con lo diodos láser comunes. El haz resultante llega a

un arreglo óptico que forma una cavidad que permite aumentar la

potencia de salida del haz. Dentro de la cavidad, en la salida, se coloca

un cristal que permite el paso de una longitud de onda específica en el

espectro visible, en el cercano IR o en el UV [12].

Una de las características más importantes de los OPSL’s es la

escalabilidad en la longitud de onda y potencia de salida con las cuales

les es posible trabajar, es decir, presentan flexibilidad y capacidad de

adaptarse a diferentes aplicaciones dependiendo de la configuración del

chip de ganancia y de la cavidad.

2.7. Otros tipos de láser

2.7.1. Láser de rubí

Fue el primer láser que se construyó y opero de manera exitosa.

Es un láser de estado sólido y como su nombre lo indica, está

conformado por un cristal de rubí que contiene óxido de aluminio

cristalino (Al2O3) con impurezas de cromo. El cromo constituye alrededor

del 0,05% de la composición del cristal, y remplaza algunos iones del

aluminio, obteniendo como resultado un material de color rosado. El

óxido de aluminio o zafiro es la mayor parte de la masa y actúa como

base para el óxido de cromo que es el medio activo donde se lleva a

cabo la excitación de los átomos. Los niveles energéticos del ion cromo


45

(CO3+) fundamentales para el funcionamiento del láser de rubí se

muestran en la figura 2.21.

Figura 2.22. Niveles de energía del láser de rubí18

.

El nivel de estado base está indicado por E1. Se observa la

presencia de dos bandas de absorción en el nivel E3, cuya notación

espectroscópica es E3a y E3b, estas bandas pueden absorber muy

eficientemente fotones de λ=0,42 μm y 0,55 μm. La vida media de los

iones excitados en las bandas en muy breve, del orden de los

nanosegundos, transcurrido éste tiempo los iones caen de manera

espontanea a un nivel energético inferior cuya notación espectroscópica

es E2, éste último nivel tiene una vida media bastante larga del orden de

los milisegundos, y está formado por dos subniveles indicados como R1

y R2 con λ=0,6943 μm y λ= 0,6928 μm respectivamente, donde la

transición de R1, comúnmente, es más dominante.

18



46

La excitación de del láser de rubí se lleva a cabo mediante el

bombeó óptico que brindar lámparas de flash sobre el cristal. Pero una

de las grandes desventajas de los láseres bombeados de esta manera es

la poca eficiencia, la cual es aproximadamente de 0,1%. Además,

resulta muy difícil la obtención de cristales sintéticos de rubí, lo que

hace aun más difícil su utilización. Actualmente resulta más común la

utilización de otro tipo de medio activo, como los cristales de neodimio.

2.7.2. Láser de Helio-Neón

El láser de Helio-Neón (HeNe) fue el primer láser de gas que se

construyó y en la actualidad es el más comúnmente utilizado. Son

operados generalmente a 632.8 nm, emitiendo luz de color rojo, con

potencias de salida que van desde 1 hasta 100 mW. También pueden

ser utilizados con una λ=543.5 nm emitiendo luz verde y en varias

longitudes de onda dentro del infrarrojo.

Figura 2.23. Niveles de energía del láser de He-Ne19

.

19



47

En la figura 2.22 se observa que los niveles del He, 3a y 3b,

coinciden con los niveles del Ne. En éste láser los átomos activos son los

componentes del neón, y la inversión de población se logra entre NE3a -

NE2a, y NE3b - NE2b. El bombeo de éste láser, como se menciono en el

bombeo para láseres de gas, se realiza mediante las colisiones de los

electrones de una descarga eléctrica principalmente con los átomos de

helio, logrando que se exciten y lleguen a los niveles HE3a y HE3b.

Posteriormente estos átomos serán los encargados de excitar a los

átomos de Neón.

Los láseres de HeNe son ampliamente utilizados en la realización

de pruebas mecánicas no destructivas para verificar el estado de fatiga

de los materiales, sistemas de seguridad, aplicaciones médicas para

tratar problemas de la piel, calibración de sistemas ópticos de precisión,

entre otras.

2.8. Seguridad en el uso del láser

Como se mostró con anterioridad, los láseres pueden ser

clasificados de acuerdo al medio activo en el que se origina la inversión

de población para la emisión estimulada, aunque también es posible

hacerlo tomando en cuenta la peligrosidad que representan para las

personas en su utilización. Es importante conocer las características con

las que cuenta el haz que se está utilizando porque de ello dependerá la

disminución de riesgos al manejar un láser.

Existen láseres de baja potencia que no causan daño a los tejidos

en caso de que las personas estén expuestas a la radiación directa del


48

haz. Generalmente emiten potencias menores de 1 mW, e incluso si el

haz emite radiación con longitud de onda dentro del espectro visible,

puede ser perfectamente detectada por el ojo humano y así evitar su

exposición directa al haz láser por tiempos prolongados. Los láseres con

potencia menor de 5 mW presentan un mayor riesgo ocular, por lo que

los ojos no tienen que estar expuestos directamente a esta radiación.

Aun más peligros resultan los láseres con potencia de 5 a 500 mW,

debido a que la exposición directa, o por reflexión de una superficie,

sobre los ojos podría dar como resultado la pérdida total o parcial de la

vista y daños permanentes. Láseres con potencias por arriba de los 500

mW, resultan como los más peligrosos en todo sentido debido a que

ocasionan daños a la piel y ojos, además en caso de ser utilizados

inadecuadamente, pueden ser generadores de incendios [13].


49

CAPÍTULO 3

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LÁSER

SEMICONDUCTOR

3.1. Introducción

En éste capítulo se mostrara la construcción de un módulo láser

que será de gran ayuda para comprender y comprobar las propiedades

de su haz de luz para sustentar el desarrollo de esta tesis. El módulo

láser está conformado por tres unidades fundamentales como se

observa en el diagrama de la figura 3.1:

Fuente de alimentación,

controlador que brinda tensión máxima de 3V y permite variar la

corriente que llega al diodo láser y,

el diodo láser.

Figura 3.1. Diagrama de bloques del módulo láser.

La construcción quedara dividida en tres actividades que servirán

para mostrar de manera sencilla como es que se fue desarrollando el

equipo.

Fuente del

láser de

diodo:

5 VCD

y 1 A.

Controlador de

láser de diodo:

3 V y

variación de

corriente.

Diodo láser

con potencia

de salida de

220 mW y

λ= 660 nm.


50

Se recurrió a la fabricación de una fuente de alimentación para el

controlador con voltaje constante y corriente máxima de 1A.

Posteriormente se construyó un controlador capaz de brindar tensión

constante y corriente variable al diodo láser, así mismo se busco la

máxima colimación del haz láser utilizando un arreglo óptico. Por último

se procedió a montar el módulo láser y arreglo óptico en un soporte

rígido para evitar vibraciones y desacomodo de los lentes. Además se

agregaron disipadores de calor al diodo para mantenerlo en la

temperatura óptima de operación.

3.2. Fuente de alimentación del módulo láser.

La fuente de alimentación para el módulo láser tiene que cumplir

con las características necesarias tanto de tensión como de corriente

adecuadas para que el sistema funcione correctamente. Para éste

trabajo será suficiente una fuente que proporcione 5 VCD y una

derivación de 3 VCD, con una corriente máxima de 1A. El diagrama

electrónico de esta fuente esta descrito en la figura 3.2.

Figura 3.2. Circuito de fuente de alimentación con salida de 5V y 3V con corriente máxima de 1 A.


51

La tensión de salida fija de 5V de la fuente (Vout), está

determinada por el regulador de tensión (U1). Además si Vin se

encuentra en un rango de 7V a 20V, esta derivación brinda una

corriente máxima de 1A [14].

La otra tensión de salida fija de 3.3V, correspondiente a la

segunda derivación, está determinada por el regulador de tensión (U2).

Si Vin se encuentra en el rango de 4.75V a 10V, la derivación brinda una

corriente máxima de 800 mA [15].

La corriente máxima del circuito se ve limitada por la protección

de 1A colocada en la alimentación del transformador que también es de

1A. Los elementos utilizados para la construcción de la fuente, así como

sus características son indicados en la tabla 3.1.

Tabla 3.1. Descripción de los dispositivos mostrados en el circuito de la fuente de alimentación.

3.3. Controlador del láser de diodo.

El láser de diodo es un dispositivo que se controla mediante la

corriente con que es alimentado, y no mediante la tensión. El

controlador, cuya construcción se mostrara a continuación, es el

Elemento Características D1 1N4001

D2 1N4001

D3 1N4001

D4 1N4001

C1 2200 μF/20V

U1 LM7805

U2 LT1117-3.3

Fusible 1A


52

encargado de mantener la tensión del diodo láser en 3 V fijos, también

se encarga de modificar la corriente en la salida, hasta encontrar la

corriente de umbral del diodo.

Es importante conocer las características eléctricas del diodo láser,

proporcionadas por el fabricante. Generalmente la tensión de operación

de estos dispositivos es 3 V, pero existe riesgo de que se pueda dañar si

no se conocen en realidad sus características eléctricas. La corriente de

umbral y la corriente máxima de operación son otras dos características

de suma importancia que debemos conocer, las cuales son propias de

cada diodo láser. En éste caso, el diodo que se utiliza es de alta potencia

y presenta las características que se indican la tabla 3.2.

Tabla 3.2. Características de mayor relevancia del diodo láser.

Características Normal Máxima Unidades Longitud de onda 660 - nm

Potencia óptica de salida 200 - mW

Temperatura de operación 25 45 ° C

Corriente de umbral 120 170 mA

Corriente de operación 180 350 mA

Tensión de operación 2.5 3 V

Los valores de la tabla son aplicables para las condiciones

normales de operación del diodo a una temperatura de 25°C que

brindan por un periodo de 10 000 horas de trabajo.

A continuación, en la figura 3.3, se muestran el aspecto físico y la

distribución de las terminales del un diodo láser de 660 nm y potencia

de salida de 200 mW.


53

Figura 3.3. Aspecto físico y distribución de los pines del diodo láser.

La configuración interna del diodo láser puede ser de diferentes

tipos como se observa en la figura 3.4. El diodo LD es el diodo láser, y el

diodo PD es un fotodiodo que sirve para medir la cantidad de radiación

emitida por el diodo láser y sea posible la aplicación de control en la

potencia de salida.

Figura 3.4. Configuraciones comunes de los diodos láser que pueden ser manejados en modo

automático para el control de potencia.

Después de la identificación de las terminales del diodo láser (LD),

se utiliza el circuito mostrado en la figura 3.5 como controlador para

manipular la corriente que llega al diodo y mantenerlo con una

alimentación constante de 3V.


54

Figura 3.5. Circuito del controlador para regular la corriente y mantener constante la tensión de

salida para un diodo láser.

Los componentes del circuito mostrado en la figura 3.5 se

muestran en la tabla 3.3.

Tabla 3.3. Descripción de los dispositivos mostrados en el circuito del controlador del diodo láser.

Elemento Características C2 120 pF

R1 100 kΩ

R2 10 kΩ

R3 100 kΩ

R4 10 kΩ

U3 OPA350

U4 LM317

RSHUNT 1 Ω


55

Éste controlador puede operar un diodo láser que requiera

corriente constante, o también para aplicaciones con láser pulsado, es

decir, que presenten variaciones de corriente en periodos de tiempo

muy cortos del orden de nanosegundos.

La corriente del diodo (IOUT) es sensada mediante la medición de la

tensión diferencial a través de la resistencia RSHUNT en serie con el diodo

láser. La corriente de salida (IOUT) es controlada mediante la tensión de

entrada (V2) que proviene de la segunda derivación de la fuente

mostrada en la figura 3.2. Si hubiera un aumento en V2, se

incrementara IOUT. La relación entre estas dos variables está dada por la

siguiente ecuación:

(3.2)

Donde, como se aprecia en la figura 3.5

,

Despejando de la ecuación anterior tenemos que

(3.3)

Ahora, si sustituimos los valores tanto de V2, como el de R3, R4 y

RSHUNT, obtendremos que el valor de IOUT=0,33A. Esta es la corriente que

aproximadamente estaremos aplicando al diodo láser para su correcta

operación. En la figura 3.6 se observan físicamente los componentes del

controlador elaborado.


56

Figura 3.6. Controlador del diodo láser.

3.4. Montaje de módulo láser y arreglo óptico.

El montaje del módulo láser, que se fabricó anteriormente, es de

gran importancia para preservar la seguridad, tanto del diodo, como de

los demás dispositivos electrónicos que ayudan a la construcción del

láser. Es necesaria la utilización de un gabinete rígido que soporte

impactos considerables. Por lo tanto se utilizo una estructura tubular

metálica, como la que se muestra en la figura 3.7.

Figura 3.7. Estructura tubular encargada de guardar el módulo láser.

La estructura tubular está construida de acero inoxidable. De esta

manera se brinda resistencia ante impactos y a la corrosión que provoca

el medio ambiente. Figura 3.8.


57

Figura 3.8. Aspecto físico de la estructura tubular y el disipador de calor del láser semiconductor.

El módulo láser debe quedar perfectamente fijado en el interior de

la estructura, con el fin de que no sufra desacomodo a causa de

movimientos bruscos.

Las características de salida de los láseres de diodo son

fuertemente dependientes de la temperatura de funcionamiento, por ello

es necesario agregar disipadores de calor que se encuentren

estrechamente ligados con el diodo láser para mantener su temperatura

en condiciones óptimas de operación. A medida que aumenta la

temperatura, la corriente de umbral va cambiando de manera típica en

los láseres de diodo, tal como se muestra en la figura 3.8.

Figura 3.9. Corriente de umbral de un diodo láser de acuerdo a la temperatura.


58

Por lo anterior, es indispensable la colocación de disipadores de

calor de cobre o aluminio junto a la estructura metálica del diodo láser,

para mantenerlo a baja temperatura y evitar que surjan variaciones

inesperadas de la corriente de umbral durante el tiempo de trabajo.

Figura 3.10. Diodo láser con disipador de calor.

3.4.1. Colimación

Una característica indeseable del haz de luz emitido por un diodo

láser, es la alta difracción, debido a la longitud, relativamente pequeña

de su resonador óptico y al tamaño de la unión, que es de

aproximadamente 1 μm. Esto produce un perfil espacial elíptico como se

muestra en la figura 3.11.


59

Figura 3.11. Distribución espacial del haz de luz emitido por un láser de diodo.

En la dirección perpendicular a la unión, el haz se limita por la

unión estrecha y originado por la difracción del haz, se forma un ángulo

de varias decenas de grados. Mientras que en la dirección paralela a la

unión, el haz se extiende menos, a unos diez grados aproximadamente.

El efecto anterior se puede apreciar en la figura 3.12.

Figura 3.12. Luz divergente proveniente de un láser semiconductor sin colimar.

Entonces, se requiere que el haz láser sea colimado para

aprovechar al máximo sus propiedades que serán de gran apoyo para la

obtención de mejores resultados al momento de implementar el arreglo

óptico de espejos del detector de ondas sísmicas que ofrece éste

trabajo.


60

La colimación de un haz de luz consiste en la optimización de la

luz divergente emitida por una fuente. Esto se logra cuando los rayos de

luz u ondas provenientes de una fuente luminosa, en éste caso la luz

láser, son transportados en una dirección específica, haciendo que todas

ellas viajen paralelamente una con otra. Se requiere de un arreglo

óptico conformado por lentes que servirán para colimar, en la medida de

lo posible, el haz de luz láser. El sistema utilizado se muestra en la

figura 3.13.

Figura 3.13. Haz láser colimado y enfocado.

Se observa como el lente biconvexo hace que, en el haz láser,

todas las ondas se propaguen de manera paralela una con otra. A esto

también se le llama unificación del haz. Más adelante, opcionalmente se

coloca otra lente biconvexa que tiene la función de concentrar la

intensidad del haz, y una lente cóncava para enfocar. De forma general,

es así como se concentra la potencia de un láser de diodo para

diferentes aplicaciones, como pueden ser de corte, soldado, grabado, e

incluso aprovechar su alta colimación para realizar trabajos con el paso

óptico, tal y como se propone en éste trabajo. El sistema óptico, como el

que se muestra en la figura 3.14, es colocado en una estructura tubular,

que permite variar la distancia entre los lentes.


61

Figura 3.14. Sistema óptico utilizado para la colimación del haz láser.

Cabe mencionar que los dispositivos ópticos utilizados en éste

arreglo son microlentes de aproximadamente 5 mm de diámetro, por lo

que su manipulación debe ser con máximo cuidado, tratando de no

golpearlas, pues pueden rayarse y romperse con facilidad.

Mediante la unificación de los módulos anteriormente construidos,

se obtiene un láser de diodo con longitud de onda de 660 nm y potencia

óptica de salida de 200 mW, altamente colimado y protegido por una

estructura tubular, como el que se muestra en la figura 3.15.

Figura 3.15. Aspecto físico del láser de diodo terminado.

Después de la construcción del láser de diodo, se midió la potencia

óptica de salida del haz y la corriente consumida por el diodo láser. Se

obtuvieron los valores mostrados en la tabla 3.4.


62

Tabla 3.4. Valores medidos de la corriente consumida por el diodo láser y su potencia de salida.

I (mA) P (mW) 25 0

60 0

100 0

120 25

140 65

160 135

180 195

De la tabla 3.4 se obtiene la gráfica de la figura 3.16, donde se

observa el comportamiento de la salida del diodo láser. Se muestra que

cuando se alcanza la corriente de umbral a los 120 mA, aumenta en

mayor medida la potencia de salida y alcanza su valor máximo en 195

mW.

Figura 3.16.Gráfica de la potencia de salida del diodo láser con respecto a la corriente.

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200

P (

mW

)

I (mA)


63

CAPÍTULO 4

APLICACIÓN DEL LÁSER DE DIODO PARA

FABRICAR EL SENSOR SÍSMICO

4.1. Introducción

Los capítulos anteriores han mostrado las bases teóricas en las

que se encuentra fundada la elaboración de éste trabajo, así que resulta

importante la plena comprensión de todos los conceptos antes

mencionados, pues ahora continua la implementación de lo aprendido.

Como se ha mencionado a lo largo de éste texto, serán explotadas las

propiedades del haz de luz emitido por un láser de diodo.

Esto se logrará mediante la aplicación de un arreglo óptico

compuesto por espejos, los cuales tendrán una configuración especial

que permitirá brindar diferentes pasos ópticos. El haz láser será

reflejado sobre los espejos que conforman el arreglo, razón por la cual

es necesario lograr una alta colimación de la radiación, para evitar

mediciones incorrectas en los fotodetectores. El péndulo permanecerá

inmóvil en una posición neutra, haciendo que el haz láser no presente

variación en el ángulo de incidencia sobre los espejos. Cuando el

péndulo presente un movimiento, el ángulo de incidencia del haz sobre

los espejos cambiara, y los fotodetectores interpretaran esta variación

emitiendo una señal audible o visible. Los elementos que conforman el

arreglo óptico, el péndulo y los fotodetectores serán mencionados con

mayor detalle en éste capítulo.


64

4.2. Diseño del péndulo

Como se mostró con anterioridad, el movimiento del suelo con

respecto a la masa de un péndulo se efectuaba, en los primeros

instrumentos, por medio de una pluma o aguja que inscribía sobre un

tambor giratorio. Después se introdujo la inscripción sobre película o

papel fotográfico de un haz de luz reflejado en la masa o sistema

amplificador del sismógrafo.

A continuación se utilizara el mismo principio de operación que

utilizan los sismógrafos mecánicos comunes, donde el sensado del

movimiento de la tierra lo efectúa el péndulo y, como la pluma o aguja

que inscribe los registros en el tambor giratorio, será utilizado el haz de

luz del láser de diodo.

Figura 4.1. Péndulo del sismógrafo.


65

El péndulo está diseñado para detectar las ondas primarias debido

a que son las que se detectan con mayor rapidez, porque tienen 1,7

veces mayor velocidad de propagación que las ondas secundarias. En la

figura 4.1 se pueden observar las partes del péndulo utilizado para

sensar el movimiento longitudinal por acción de la inercia.

Con fines prácticos el péndulo será considerado como simple, sin

fricción con el aire y sin amortiguamiento, de esta manera se simplifica

significativamente el análisis de su comportamiento. La ecuación que

describe el péndulo utilizado es la siguiente

(4.1)

sin 0

Donde:

Las oscilaciones del ángulo de amplitud del péndulo α, debido a las

ondas tipo P, serán menores a 10°, entonces el valor del seno de α será

muy próximo al valor de α. La ecuación diferencial del movimiento del

péndulo queda expresada como

(4.2)

0

0

Donde:

α: Ángulo de desplazamiento del péndulo respecto al reposo

: Distancia que va desde el punto fijo hasta la salida del haz láser

g: Aceleración de la gravedad = 9.81 m/s2

: Frecuencia de oscilación del péndulo


66

La solución general de la ecuación 4.2 permite conocer la posición

del péndulo con respecto al tiempo, es decir, el ángulo que se desplaza

con respecto a la posición de reposo cuando se agregan condiciones

iniciales de movimiento A y B.

(4.3)

Como las ondas primarias ocasionan el movimiento longitudinal de

la tierra en la dirección de propagación de las mismas, el sistema tiene

que estar colocado de tal manera que pueda recibir sus efectos

directamente.

Por las propiedades de alta colimación, coherencia e intensidad del

haz láser, se puede utilizar como si fuera una aguja de longitud L, como

se observa en la figura 4.2. El movimiento del péndulo producirá una

variación del ángulo α del haz láser proyectado sobre una superficie,

observándose un desplazamiento Δx. En el punto ciego, los detectores

no identificaran la señal del haz láser, estando en un estado neutro.

Figura 4.2. Paso óptico del haz láser.

La relación entre las variables anteriores está dada por ecuación

siguiente:

(4.4)


67

tan

Donde:

4.3. Diseño del arreglo óptico de espejos

Para montar el arreglo óptico de espejos se necesita la fabricación

de un gabinete pequeño de un material plástico termofijo para brindar

estabilidad y protección a los espejos. Se recomienda la utilización de un

material no traslucido para evitar que el haz láser sea emitido a la parte

externa. Sin embargo, para éste trabajo el gabinete fue fabricado con

un polímero termoestable trasparente que permitiera observar el

funcionamiento interno del sistema. Figura 4.3.

El arreglo óptico está formado por cinco espejos que son

totalmente reflejantes dentro del espectro visible, con las siguientes

dimensiones:

2 espejos de 14.5 cm x 3 cm

3 espejos de 3 cm x 2 cm

La distribución de los espejos se observa en la figura 4.4 que

presenta la vista frontal del gabinete. Los espejos 1 y 2 son los de

mayor dimensión, y los espejos 3, 4 y 5 son los de menor.

α: Ángulo de incidencia del haz l ser sobre una superficie

Δx: Variación lineal de la distancia sobre una superficie

L: Longitud del haz láser


68

Figura 4.3. Dimensiones del gabinete del sismógrafo.

Figura 4.4. Vista frontal de la distribución del arreglo de espejos en el interior del gabinete.


69

Los dos espejos más grandes son colocados dentro del gabinete

como se observa en la figura 4.4. En uno de los lados se crean cinco

orificios que servirán para colocar los fotodetectores.

Figura 4.5. Vista lateral de la distribución de los espejos grandes dentro del gabinete.

Para montar los tres espejos de menor tamaño se colocan tres

ejes tal como se muestra en la figura 4.6. El eje 1 permanecerá fijo con

el espejo en un ángulo de 45° con respecto a la horizontal del gabinete.

El eje 2 y 3 permitirán la variabilidad de la posición de los espejos sobre

su mismo eje, para cambiar el ángulo de incidencia del haz láser y

ajustar el paso óptico a distintos valores de L.


70

Figura 4.6. Vista frontal y lateral del gabinete.

A continuación, en la figura 4.7 y 4.8, se muestra el gabinete

construido que contiene el arreglo de espejos.

Después de la creación del arreglo óptico se realizaron los cálculos

correspondientes a tres pasos ópticos distintos, esto para tener tres

niveles de sensibilidad. Entonces se parte de la ecuación siguiente:

(4.2)

Donde:

L: Longitud del haz láser

Ln: Longitud del haz láser de espejo a espejo


71

Figura 4.7. Vista frontal del gabinete del sismógrafo construido.

Figura 4.8. Vista superior del gabinete del sismógrafo construido.


72

4.4. Diseño del módulo receptor de luz

El módulo receptor está compuesto por los detectores del haz de

luz láser, la etapa de amplificación de corriente y la alarma audible o

visible que notificara la detección de los movimientos del péndulo.

Los detectores son un conjunto de cinco fotodiodos de silicio como

el que se observa en la figura 4.9. Éste tipo de fotodiodo es sensible

ante la incidencia de luz con longitud de onda de 400 nm a 1100 nm. El

láser de diodo construido emite luz con λ=660 nm, así que éste

fotodiodo es capaz de detectar el haz sin problemas.

Figura 4.9. Aspecto físico del fotodiodo de silicio.

Los cinco fotodiodos son acomodados linealmente como se

muestra en la figura 4.10. El elemento número tres es el encargado de

recibir el haz de luz cuando el sistema se encuentra inmóvil, es decir,

está en un estado neutro de detección sísmica.

Figura 4.10. Arreglo de fotodiodos para la detección del haz láser.


73

Se hizo incidir la luz láser sobre los fotodiodos obteniéndose la

corriente que generan (If). La corriente If medida fue de 40 μA. Se

desarrollo la etapa de conversión de la señal mediante el circuito de la

figura 4.11. Así con la entrada de corriente If, se obtiene una salida de

tensión Us.

Figura 4.11. Circuito convertidor de corriente a tensión.

El capacitor Cc limita el ruido de la señal de entrada. La salida Us

está determinada por la ecuación

(4.3)

Donde:

La resistencia Rf fue calculada para obtener una tensión de salida

de 5.25v.

Us: Señal de salida (v)

Rf: Resistor 50 kΩ

If: Corriente del fotodiodo 5 μA


74

Figura 4.12. Módulo de fotodetectores.

Figura 4.13. Circuito convertidor de corriente a tensión para cada fotodiodo.


75

4.5. Costos

A continuación se muestran los costos parciales y totales de los

dispositivos empleados para la realización de éste trabajo.

Tabla 4.1. Costo del gabinete para sismógrafo.

CANTIDAD ELEMENTO DESCRIPCIÓN COSTO TOTAL

(dólares) COSTO TOTAL

(pesos mexicanos) 2 Espejos de 15 cm x 3cm 5 67.80

3 Espejos de 2 cm x 3 cm 3.3 44.748

3 Ejes para espejos Tornillo de 2pulg. 2.1 28.476

1 Gabinete para

espejos Acrílico de

15 cm x 4 cm x 20cm 10 135.6

TOTAL: 20.4 276.624

Tabla 4.2. Costo del módulo láser fabricado.

20

El cambio de moneda hace referencia al mes de Octubre de 2011, donde 13.56 pesos mexicanos equivalen

a un dólar estadounidense.

CANTIDAD ELEMENTO DESCRIPCIÓN COSTO TOTAL

(dólares)20 COSTO TOTAL

(pesos mexicanos) Psal = 200 mW

1 Diodo láser λ = 660 nm 150 2034

V= 2 a 3 V

I= 120 a 350 mA

L = 15 cm

1 Tubo de Acero DINT = 3.81 cm 2 27.12

DEXT = 4.01 cm

1 Controlador 14.035 190.3146

1 Botón

pulsador 0.4 5.424

1 Disipador de

calor 1.45 19.662

TOTAL: 167.885 2276.5206


76

CAPÍTULO 5

EXPERIMENTACIÓN Y RESULTADOS

En la figura 5.1 se puede observar el principio de funcionamiento

del sismógrafo desarrollado. Está compuesto por el péndulo encargado

de recibir las ondas sísmicas tipo P. También por el arreglo de espejos

que reflejan el haz para obtener un paso óptico máximo de 0,9948 m,

que es la distancia que recorre el haz por el arreglo óptico desde que

ingresa al módulo, hasta que alcanza a los fotodiodos que forman el

arreglo lineal de fotodetección.

Figura 5.1. Principio de funcionamiento del sismógrafo.

Cuando el péndulo se mueve un ángulo α hacia la izquierda o

derecha de la figura 5.1, la reflexión del haz en cada uno de los espejos

Δx


77

cambia obteniendo una variación en la detección de los fotodetectores,

es decir, el sistema pasa de la zona neutral a una detección de

movimiento. Entre mayor sea el ángulo α el desplazamiento del enfoque

del haz en Δx será mayor. El ángulo β de la figura 5.1 corresponde a

10.18°, mientras que el ángulo γ es de 24.45°.

Posteriormente se realizaron pruebas variando la posición de los

espejos 3 y 5 (ver figura 4.4) para obtener un paso óptico menor. El

resultado se puede apreciar en la figura 5.2, donde el paso óptico total

es de 0,7073 m con el ángulo β igual a 21.03° y el ángulo γ igual a

38.58°. De ésta manera se obtiene menor sensibilidad de detección.

Figura 5.2. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico medio.


78

Por último se probó un paso óptico mínimo con la configuración de

los espejos como se muestra en la figura 5.1. Se observa que

únicamente se utilizan los espejos móviles para incidir el haz. El paso

óptico máximo para ésta configuración es de 0,46 m con el ángulo β

igual a 54.63°.

Figura 5.1. Configuración de los espejos para lograr un paso óptico mínimo.


79

CAPÍTULO 6

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos mediante la experimentación han

aportado datos para corroborar el funcionamiento del dispositivo

desarrollado en éste trabajo, pues con ayuda de las propiedades del haz

de luz del láser semiconductor fabricado, se comprobó que el sistema

óptico de espejos funciona adecuadamente, debido a que presenta alta

sensibilidad al movimiento del péndulo que contiene al láser. También

se observa que la salida de los fotodiodos es correcta, aportando una

tensión de salida de 5V aproximadamente después de la etapa de

conversión de corriente a tensión. Los movimientos longitudinales

provocados por las ondas sísmicas tipo P se pueden identificar con

facilidad, aunque todavía no se realizan pruebas de detección de sismos

reales. El tamaño del gabinete que resguarda al sistema es pequeño,

resistente y de fácil construcción.

Los puntos susceptibles de mejoras que se pueden apreciar son

varios. Es necesaria la implementación de un sistema de conversión

analógico-digital, para analizar la salida de los fotodiodos y a su vez

permita la comunicación del sistema con una computadora. De ésta

manera se puede lograr la adquisición de datos y posterior calibración

del dispositivo con la ayuda de un sismógrafo empleado por el Servicio

Sismológico Nacional.

Además el sistema podría ser alimentado con una batería

recargable para que funcione adecuadamente en caso de que falle el

suministro eléctrico.


80

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Terremotos

Alejandro Nava

Fondo de cultura económica, tercera edición, 1998, pp. 62-

72.

[2] Página Oficial del Servicio Sismológico Nacional

(http://secre.ssn.unam.mx/SSN)

[3] Nuestro hogar en el espacio

José Francisco Valdés (compilador)

Juan Manuel Espíndola Castro

Fondo de cultura económica, segunda edición, 1995, pp. 52-54.

[4] Óptica

Eugene Hecht

Ed. Pearson, Tercera edición, 2000, pp. 51-81

[5] Luz, láser y óptica

John H. Mauldin

Mc Graw-Hill, Primera edición, 1992, pp. 231, 247.

[6] Física cuántica. Átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas

Robert Eisberg y Robert Resnick

Ed. Limusa, 2004, p. 129.

[7] Fuentes de Luz

Asociación de Aplicaciones de la Electricidad

Ed. Paraninfo, 1992, pp. 33.

[8] Principles of laser materials processing

Elijah Kannatey-Asibu, Jr.

Ed. John Wiley & Sons, Inc. 2009, pp. 122-127

[9] Óptica

R. W. Ditchburn


81

Ed. Reverte, tercera edición, 1982, pp. 393-420

[10] El láser

Vicente Aboites

Fondo de cultura económica, segunda edición, 1998, pp. 19-22,

27-29.

[11] Aplicaciones industriales del láser

L. Bachs, J. Cuesta, N. Carles

Ed. Marcombo, Primera edición, 1988, pp. 14-49.

[12] Optically Pumped Semiconductor Lasers

(www.coherent.com)

[13] IEC60825. Norma internacional para la identificación y reducción

de riesgos en la utilización de dispositivos láser.

[14] Hoja de datos del circuito integrado LM7805

(www.fairchildsemi.com)

[15] Hoja de datos del circuito integrado LT1117

(www.DatasheetCatalog.com)

[16] Hoja de datos del circuito integrado LM317

(http://www.nationalsemi.com)


82

ANEXO A

Módulos láser

Para realizar éste trabajo fue construido un módulo láser, sin

embargo, existen una gran variedad de módulos de pequeñas

dimensiones que se encuentran a la venta y que pueden adaptarse a las

características de la aplicación con la que se desea trabajar. Figura A.1.

Figura A.1. Controlador de diodo láser con salida constante de 2v para diodo láser de 540 nm (haz

de luz verde).

La potencia de salida del láser semiconductor utilizado en éste

trabajo es de aproximadamente 200 mW, pero para fines prácticos y

económicos pueden ser utilizados otros dispositivos con potencias de

salida menores a 10 mW con los que se obtendrán resultados similares.

Un ejemplo de lo anterior es el módulo láser ofrecido por la

compañía Meredith Instrument21, que incluye un diodo láser con λ=650,

corriente de operación de 50 mA y potencia de salida de 1 mW ó 3 mW.

También contiene una lente plástica y una capa exterior metálica de 17

mm de longitud y 6 mm de diámetro. Todo lo anterior por $13,00

dólares. Figura A.2.

21

www.mi-lasers.com


83

Figura A.2. Módulos láser de 3 mW y λ=650 nm.

También es posible encontrar las unidades que componen al

módulo láser por separado. Se pueden adquirir los lentes de colimación

del haz láser con un precio aproximado de $35,00 a $50,00. Los diodos

láser de 5 mW, λ=650 nm, tensión de trabajo de 2.2 VCD, y corriente

de operación de 50 mA, se pueden adquirir por un precio aproximado

de $25,00 dólares. Figura A.3.

Figura A.3. Unidad de colimación de luz láser.

Figura A.4. Lentes para colimar luz del diodo láser.


84

Medidores de potencia del haz láser

Los medidores de potencia láser son instrumentos que reciben el

haz de luz láser a través de un sensor y analizan la potencia. Pueden

ajustarse a diferentes longitudes de onda y tener varios rangos de

medición de potencia óptica de salida. Casi todas las fuentes láser con

potencia menor a 40 mW pueden ser comprobadas con el medidor de

potencia láser mostrado en la figura A.5.

Figura A.5. Medidor de potencia óptica de salida del diodo láser

22.

El medidor anterior proporciona una lectura máxima de 40mW,

para sensar utiliza un fotodiodo de silicio para longitudes de onda de

400 nm a 1100 nm, pero esta calibrado a los 633 nm. Además cuenta

con una precisión de +/-5% y peso aproximado de 120 gramos. Es

portable con dimensione de 117 x 76 x 18mm. Precio aproximado

$286,00 dólares.

22

www.apinex.com


85

ANEXO B

Seguridad Láser

La seguridad en el diseño, uso e implementación de los

dispositivos láser sirve para disminuir los accidentes principalmente

asociados al daño en los ojos por exposición directa al haz. Existen

regulaciones generales que determinan las condiciones, equipo

necesario y precauciones que se deben tomar en cuenta para que la

operación de estos dispositivos sea lo más segura posible.

Como se menciono en la sección 2.8 de éste trabajo, existe una

clasificación que determina el grado de riesgo que representa la

exposición directa del haz para los tejidos del cuerpo humano,

dependiendo de la potencia de salida del haz. A continuación se detalla

esta clasificación, así como las medidas de seguridad recomendadas

para la prevención de accidentes. La clasificación de seguridad en el uso

de los dispositivos láser está basada en el Límite de Emisión Accesible

para el usuario de la siguiente manera:

Láser clase I: Son equipos láser seguros en todas las condiciones

de utilización adecuada, incluyendo el uso de instrumentos ópticos

en visión directa.

Láser clase II. Son láseres que emiten radiación visible en el

intervalo de longitudes de onda comprendido entre 400 y 700 nm,

con potencia inferior o igual a 1 mW. La protección ocular se

consigue normalmente por las respuestas de aversión, es decir, la

molestia que ocasiona la intensidad luminosa del haz sobre el ojo.


86

Esta reacción resulta suficiente para proporcionar la adecuada

protección aunque se usen instrumentos ópticos.

Láser clase II A. Son láseres que pertenecen a la clase II, que

producen daño permanente a la retina por la exposición directa al

haz durante más de 1000 segundos, un ejemplo de éste tipo de

láser es el utilizado por los escáneres láser comerciales.

Láser clase III A. Láseres con potencia menor de 5 mW. La visión

directa del haz es potencialmente peligrosa.

Láser clase III B. Son láseres cuya visión directa del haz es

siempre peligrosa (potencia de salida de 5 a 500 mW). Estos

láseres pueden provocar daño permanente, si un haz directo o la

reflexión del mismo sobre una superficie son mirados por el ojo no

protegido.

Láser clase IV. Éste tipo de láseres produce reflexiones difusas

peligrosas con potencias de salida mayores a 500 mW. Pueden

causar daños sobre la piel y pueden constituir peligro de incendio.

Su utilización necesita extrema precaución.

La mayoría de los productos láser que se comercializan contienen

una o varias etiquetas de advertencia, que muestran la potencia de

salida del haz, así como el nivel de peligro asociado a la clasificación

anterior. Figura B.1.

Figura B.1. Etiqueta preventiva presente en los productos láser.


87

Es muy importante la protección ocular mediante la utilización de

gafas o anteojos con la óptica adecuada de filtrado de la luz láser

reflejada, directa o dispersa. Las gafas deben ser seleccionadas para el

tipo específico del láser utilizado, para bloquear o atenuar en el rango de

longitud de onda apropiada. Figura B.2.

Figura B.2 .Gafas de protección contra la exposición accidental al haz láser de longitud de onda de

600 nm a 760nm23

23

Figura obtenida de www.apinex.com

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