Fotonica

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Qué es la Fotónica? M.Sc. Luis Diego Marín Naranjo Laboratorio de Fotónica y Tecnología Láser Facultad de Ingeniería - Escuela Ingeniería Eléctrica Universidad de Costa Rica [email protected]

“Mi diseño en este libro no es solo explicar las propiedades de la luz por hipótesis, sino proponerlas y probarlas por razones y experimentos, en orden de lo cual yo debo asentar las siguientes definiciones y axiomas” Frase apertura de la obra de Newton Opticks, 1717

Definiciones La Óptica es la vieja y venerable rama de la Física que involucra la generación, propagación y detección de la luz. Tres desarrollos fundamentales logrados en los últimos 40 años son responsables del rejuvenecimiento de la óptica y de su creciente importancia en la tecnología moderna con toda una revolución: • La invención del Láser, • La fabricación de fibras ópticas de baja pérdida y • La introducción de dispositivos ópticos semiconductores. Esta ha asumido una importancia incrementada no sólo en física, sino en otras ciencias, ingeniería, la industria y en la vida diaria. Como factor dominante está el descubrimiento y desarrollo de muchas formas de Láser. Las notables propiedades de la radiación coherente de un dispositivo Láser han conducido a una riqueza de nuevas técnicas en la física como óptica no lineal, enfriamiento y atropamiento de átomos, dinámica de femtosegundos y electro óptica. También se ha engendrado un profundo entendimiento de la radiación óptica involucrada en coherencia y óptica cuántica y las técnicas de coherencia óptica han tendido un primordial impacto en la física atómica.

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Como resultado de estos desarrollos, emergen nuevas disciplinas y nuevos términos que las describen: • Electro-óptica • Optoelectrónica • Electrónica cuántica • Óptica cuántica • Tecnología de ondas de luz entre otros. Aunque no existe un acuerdo completo del uso preciso de estos términos, hay un consenso general con respecto a su significado. • Electro-óptica se reserva generalmente para dispositivos ópticos en los cuales los efectos eléctricos juegan un papel fundamental (Láser, moduladores y conmutadores electro-ópticos). • Optoelectrónica típicamente se refiere a dispositivos y sistemas que son esencialmente electrónicos por naturaleza, pero involucran luz (diodos emisores de luz, dispositivos de despliegue de cristal líquido y arreglos de fotodetectores). • Electrónica cuántica se usa en conexión con dispositivos y sistemas que se basan principalmente en la interacción de la luz con la materia (Láser y dispositivos ópticos no lineales usados para amplificadores ópticos y mezcladores de ondas ópticas). • Óptica cuántica estudia las propiedades cuánticas y coherentes de la luz. • Tecnología de ondas de luz se usa para describir dispositivos y sistemas que son usados en Comunicaciones ópticas, Procesamiento de señales ópticas y Metrología óptica. En analogía con la Electrónica, en años recientes surge el término Fotónica, reflejando el importante vínculo entre la óptica aplicada y la electrónica, forjado por el creciente papel que los materiales y dispositivos semiconductores juegan en los sistemas fotónicos. El campo de la óptica es amplio y continúa manteniendo alto potencial de explotación. Así como la Electrónica involucra el control de flujo de carga eléctrica en el vacío o en la materia, la Fotónica involucra el control de fotones en el espacio libre o en la materia. Las dos disciplinas claramente se relacionan puesto que los electrones comúnmente controlan el flujo de fotones, y los fotones controlan el flujo de electrones Como en óptica moderna se da ahora igual énfasis a los aspectos de fotón y de onda de la radiación óptica, este término Fotónica refleja la importancia de ambos aspectos en el entendimiento de nuevos desarrollos que el Láser ha traído al campo, como el desarrollo de fibras ópticas y tecnología de semiconductores para emisores y detectores ópticos. Así el término Fotónica refleja la importancia de la naturaleza de fotón de la luz en la descripción de la operación de muchos dispositivos ópticos.

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Aplicaciones No solo la física sino otras áreas de la ciencia y la tecnología se han mejorado por el uso de métodos basados en Láser en química, biología, ingeniería y medicina. Esto ha conducido a un maravilloso ámbito de nuevas aplicaciones como holografía, comunicaciones ópticas, sensores de picosegundos y femtosegundos, optoelectrónica, imágenes médicas y tomografía óptica coherente. Una cantidad de aplicaciones se han vuelto prominentes en la industria y la vida diaria: • La generación y el control de luz coherente de un Láser o luz incoherente de fuentes luminiscentes como los LED, • La transmisión de luz en el espacio libre, a través de componentes ópticos convencionales como lentes, aperturas y sistemas de imágenes o a través de guías de onda como fibras ópticas, • La modulación, conmutación y rastreo de la luz por el uso de dispositivos controlados eléctricamente, acústicamente u ópticamente, • La amplificación y conversión de frecuencia de la luz por el uso de interacción de ondas en materiales no lineales, • La detección de la luz. • Radiometría y Fotometría. Todas estas áreas han encontrado aplicaciones crecientes en: • Comunicaciones ópticas, • Procesamiento de señales, • Computación óptica, • Sensado, • Metrología óptica, • Despliegue, impresión, • Transporte de energía • Uso en la industria. La Fotónica en la Ingeniería Eléctrica se introduce especialmente con la fibra óptica para comunicaciones pero también el Láser en otras áreas para favorecer procesos tecnológicos. Aplicaciones por áreas multidisciplinaria, serían para valorar, probar y diseñar equipos en caso de no existir, a menor costo, o para cierta parte de la investigación, montar un prototipo para luego adquirir un equipo comercial y mejorar un proceso.

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Algunas ideas y áreas. • Con Láser y óptica aplicada un químico puede analizar el contenido de una muestra con mayor precisión, • Un físico puede caracterizar una película delgada que representa un jabón, • Un biólogo puede reconocer diversas capas en la formación de un tallo, • Un ingeniero mecánico puede medir micro vibraciones por medio de holografía o taladrar un micro rectángulo en una lámina de 6 milímetros de espesor sin deformación, • Un ingeniero eléctrico puede sensar los estados de un proceso de un tanque de agua caliente o hacer controles remotos con infrarrojo, • Un ingeniero químico puede ver en tiempo real con luz coherente el proceso de fermentación de la melaza, • Un agrónomo además de poder sacar curvas de nivel con precisión puede usar un sistema que le dé los movimientos de tierra con precisión, • Un geólogo puede notar con un Láser el grado de levantamiento de una placa o un terreno con el tiempo, • Un ingeniero civil puede medir la altura de un cerro o una montaña desde un solo punto lejano además de poder verificar la deformación de un puente o la fatiga de una placa de concreto de un muelle usando holografía de granulado "speckle", • Un tecnólogo de alimentos puede usar la difracción de la luz para revisar el tamaño de partículas de grasa que no deben ser mayores de cierto tamaño sin tomar muestras, • Un especialista en materiales puede medir micro fisuras en un ladrillo o lámina de plástico, o un químico medir la contaminación de la atmósfera, entre otros. • Un Láser industrial puede unirse a un sistema de robot y crear una herramienta poderosa. • Existen aparatos con la parte del Láser que sirve para entender más la tecnología y procesar materiales y la parte de control y robot sirve a Mecatrónica para estudiar y adaptar su diseño a otros proyectos. • Existen las técnicas de Láser y óptica aplicada para usar el LIDAR o radar Láser para medir la contaminación de la atmósfera o sensar la incidencia de rayos con más precisión. • La holografía virtual de “speckle” permite sensar y medir la condición de granos de café o macadamiza así como líquidos como leche para análisis químico. Esta sería una actividad multidisciplinaria donde una serie de expertos trabajan con el equipo y las técnicas para favorecer el quehacer universitario de investigación, desarrollo, academia y venta de servicios además de proyectarse fuera en la industria nacional y afuera del país.