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IDE@S CONCYTEG 2(24), JUNIO 2007
Desarrollo de Tecnología de
Punta en el CIO
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
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24. Desarrollo de tecnología de punta en el
CIO. 3 Casos de Éxito
Nota Editorial
Fernando Mendoza Santoyo1
El Centro de Investigaciones en Óptica,
A.C. (CIO), fundado el 18 de Abril de
1980, tiene objetivos bien definidos para
la realización de sus actividades
cotidianas, a saber: Generación de
conocimiento básico y aplicado en Óptica
y disciplinas afines; Generación de
tecnología de punta en Óptica y
disciplinas afines y su transferencia a la
1 Doctor en Óptica Aplicada en la Universidad de Loughborough, Inglaterra, Investigador Nacional Nivel III. Es Director General del CIO. [email protected]
sociedad; Formación de Recursos
Humanos de Excelencia a través de sus
postgrados, Maestría en Ciencias y
Doctorado en Ciencias, ambos en Óptica,
el primero dentro de los postgrados de
excelencia del CONACYT y el segundo
dentro de los postgrados de Competencia
Internacional del mismo Consejo; y la
Divulgación del conocimiento científico
entre la población.
Tomamos con agrado la invitación
del CONCYTEG para publicar en su
Ide@s CONCYTEG tres casos de éxito de
muchos que tenemos en el CIO. Estos
casos de éxito son un reflejo del proceso
que seguimos para generar conocimiento
básico que tenga aplicaciones y que se
convierta en desarrollo de tecnología de
punta.
El artículo de Elder de la Rosa,
Nanofotónica: luz + nanopartículas,
aborda los avances que hemos realizado
en nanotecnología, en específico en el
desarrollo de nanopartículas, las que
pronto utilizaremos como medio de
iluminación barata y eficiente.
En Fibras ópticas micro –
estructuradas estrechadas para fabricar
sensores, David Monzón y Vladimir P.
Minkovich exponen el gran potencial de
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las fibras ópticas huecas en aplicaciones
tan diversas como la biología, medicina y
sensores de temperatura, voltaje, presión,
esfuerzos, etc., son un tema en donde
competimos mundialmente. ´
Y por último, Bernardino
Barrientos y Carlos Pérez en Proyectos
CIO – MABE presentan ejemplos de
cómo aplicar el conocimiento de técnicas
ópticas a la solución de problemas de una
empresa de electrodomésticos.
Con estos casos de éxito queremos
mostrar la importancia que tiene la óptica
en nuestra vida diaria.
A 27 años de su fundación el CIO
es en México un centro de excelencia y
con competitividad internacional que
genera conocimiento básico y aplicado,
desarrolla tecnología de punta, forma
recursos humanos de excelencia y
mantiene un alto nivel de vinculación con
la sociedad y empresas nacionales e
internacionales. Agradezco a nombre de
todos mis colegas en el CIO la
oportunidad de participar en esta gaceta y
al continuo y decidido apoyo del
CONCYTEG no solo al CIO sino
también a la ciencia, tecnología e
innovación en el estado de Guanajuato.
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Nanofotónica: luz +
nanopartículas
Elder de la Rosa Cruz1
¿Cual es el problema de los humanos y el tamaño? Sólo porque algo sea muy, muy pequeño no significa que no pueda ser importante!!!
Frank a K, Men in Black (Película, 1998)
Han pasado ya cuarenta y seis años
desde que Richard Feynman dictara su
famosa plática There is plenty of room at
the bottom: An invitation to enter a new
field of physics (Hay suficiente espacio en
el fondo: Una invitación a entrar en un
nuevo campo en la Física). En ella
estableció que las leyes de la Física no
impiden manipular las cosas átomo a
átomo; -es algo que se puede hacer pero
no se ha hecho debido a que somos
demasiado grandes para hacerlo-. Desde
entonces se ha estado buscando la manera
1 Investigador del Departamento de Fotónica. Investigador Nacional Nivel I. [email protected]
de poder diseñar los materiales átomo a
átomo. De hecho, los materiales
nanoestructurados ya han sido utilizados
en aplicaciones prácticas, siendo
importantes en nuestra vida diaria. El
color rojo de los vitrales en las catedrales
góticas de Europa se obtenía utilizando
nanopartículas de oro; la película
fotográfica utiliza nanopartículas de plata;
los bloqueadores solares utilizan
nanopartículas de dióxido de titanio y de
zinc como parte activa. El primer caso es
una aplicación del efecto nano del oro y
es quizás la primera aplicación de la
nanotecnología. Quizás el mayor
desarrollo de las nanoestructuras se dio
con el descubrimiento de la microscopia
de fuerza atómica ya que con esta se
podía manipular a los átomos o partículas
muy pequeñas. Hoy día, la investigación
en el campo de los materiales
nanoestructurados se ha multiplicado y
sus aplicaciones abarcan todas las
disciplinas convirtiendo a la
nanotecnología en un campo
interdisciplinario. Muchos países han
implementado programas especiales para
la investigación en este campo invirtiendo
grandes cantidades de dinero. La apuesta
puede ser de alto riesgo, pero el premio
promete ser enorme. Hoy día se estima el
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mercado de la nanotecnología en cientos
de billones de dólares. Nuestro país
también ha apoyado esta iniciativa
aunque en menor proporción. De hecho la
nanotecnología no es una prioridad dentro
de nuestro sistema de investigación, no
hay programas especiales de apoyo
económico en este tópico y se compite
por igual con todas las áreas. Con pocos
recursos económicos se tiene poca
infraestructura y en general grupos
pequeños lo que dificulta la capacidad
para competir. Aún con estas limitantes,
se han obtenido excelentes resultados y
hay grupos en nuestro país que cuentan
con reconocimiento internacional.
Figura 1
Dos ejemplos del uso de nanopartículas de oro entre 5-60 nm. a) Copa de Lycurgus fabricada por los romanos (S, IV AD), se observa verde en luz reflejada y rojo en luz transmitida. b) Vitral de la Catedral de Milán, Italia, hecho por Niccolo da Varallo entre 1480-1486. El color rojo es producido por las nanoparticulas de oro.
Materiales nanoestructurados y nanotecnología
Los materiales nanoestructurados (NEMs,
por siglas en inglés) han despertado
rápidamente un gran interés debido a la
diversidad de sus aplicaciones. De
acuerdo a la definición más aceptada, los
materiales nanoestructurados son aquellos
en los que por lo menos una de sus
dimensiones se encuentra en el rango de
1-100 nm. Es decir, los NEMs son tres
órdenes de magnitud más pequeños que
los MEMS (sistemas
microelectromecánicos, por sus siglas en
inglés), e incluyen nanopartículas,
nanocristales, nanoalambres, nanobarras,
nanotubos, nanofibras, nanoespumas, etc.
Los NEMs pueden ser semiconductores,
dieléctricos, metales, orgánicos,
inorgánicos, aleaciones, biomateriales,
biomoléculas, oligómeros, polímeros, etc.
Aunque también existen sistemas
nanoestructurados de dimensiones
mayores como son los cristales fotónicos.
En el rango de nanómetros, los materiales
presentan propiedades ópticas, eléctricas,
magnéticas y mecánicas únicas y
totalmente diferentes de los materiales en
el rango de los micrómetros o milímetros
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llamados también materiales en bulto.
Para tener una idea de que tan pequeño es
un nanómetro podemos mencionar que un
milímetro tiene un millón de nanómetros;
el diámetro del cabello humano mide
entre 10,000 y 50,000 nanómetros; los
glóbulos rojos y blancos miden entre 2 y
5 nanómetros mientras que el ADN mide
2.5 nanómetros.
Las propiedades de los NEMs son
dominadas por los efectos de superficie
mientras que las de los materiales en
bulto son debidas a un efecto de volumen.
La tecnología para su producción y uso se
ha convirtiendo en una industria muy
poderosa: la nanotecnología. La
nanotecnología es la ciencia e ingeniería
de producir materiales o estructuras
funcionales de unos cuantos nanómetros.
Es la tecnología del futuro con la cual se
desarrollarán los nuevos materiales y
dispositivos. Las aplicaciones son
sorprendentes así como variadas, por
ejemplo, la industria optoelectrónica y
fotónica, biomedicina, sensores, celdas
solares y de combustible, catálisis,
memorias ópticas, procesadores de
computadoras, fotodetectores,
herramientas de corte, industria
automotriz y aeronáutica, moduladores e
interruptores, cosméticos, etc. Aunque
todas las aplicaciones son de gran interés,
sin duda alguna las aplicaciones en
sistemas biológicos son las más
sobresalientes. Especialmente las
aplicaciones de las propiedades ópticas de
los sistemas nanoestructurados.
Nanofotónica
La nanofotónica es la fusión de la
nanotecnología y la fotónica. Es un
campo multidisciplinario que estudia las
propiedades ópticas de los sistemas
nanoestructurados y la interacción luz-
materia a nivel nanoscópico. Ya
mencionamos que las propiedades ópticas
de las nanopartículas son dominadas por
los efectos de superficie. Así, controlando
el tamaño de las nanopartículas o
nanoestructuras podemos controlar o
amplificar ciertas propiedades de los
sistemas bajo estudio. En general, las
nanoestructuras pueden ser de tres tipos,
semiconductoras, dieléctricas y metálicas.
Cada una de ellas produce fenómenos de
especial interés cuando interactúan con
una señal óptica, pudiendo así ser
aplicadas en diferentes campos. Un
campo de especial interés es la biología.
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El estudio de las propiedades
luminiscentes de sistemas
nanoestructurados en sistemas biológicos
es el campo de estudio de la
bionanofotónica. Especialmente trata
sobre el estudio de sistemas
nanoestructurados en aplicaciones
biomédicas. Diferentes nanopartículas
han sido propuestas para ser utilizadas en
la detección de bajas concentraciones de
diferentes elementos como células
cancerigenas, virus, ADN, ARN,
proteínas, etc. También han sido
utilizadas para la entrega de
medicamentos en forma dirigida y
controlada así como para la destrucción
de tumores cancerigenos. En la última
década, los avances han sido
sorprendentes pero aún hay mucho por
hacer. En el CIO, durante los últimos 6
años hemos estado trabajando en la
síntesis de nanopartículas y estudiado sus
propiedades ópticas a fin de poder ser
utilizadas en distintas aplicaciones. Las
propiedades luminescentes de nuestras
nanopartículas son muy interesantes y
prometen grandes oportunidades de
aplicación en diferentes áreas. A
continuación describimos algunas de las
nanopartículas con las que hemos estado
trabajando
Figura 2
Fluorescencia obtenida de los puntos cuánticos después de ser excitado con luz UV y de óxidos nanocristalinos fabricados por nuestro grupo, excitados con luz infrarroja.
Nanopartículas semiconductoras o puntos cuánticos
Los nanocristales semiconductores
también llamados puntos cuánticos son
nanoestructuras a base de materiales
semiconductores inorgánicos y
representan el grupo donde el efecto del
tamaño es más evidente. El tamaño nano
da lugar a lo que se conoce como
confinamiento cuántico, que no es más
que la localización de los electrones en un
espacio bien definido, es como poner un
electrón en una caja. Mientras que para
tamaños mayores los electrones están no
localizados. El confinamiento produce un
ensanchamiento de la banda de energía
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prohibida del semiconductor así como la
aparición de sub-bandas discretas en la
banda de valencia y de conducción. Las
dimensiones típicas oscilan entre uno y
diez nanómetros. Con frecuencia se les
describe como átomos artificiales debido
a que los electrones están
dimensionalmente confinados como en un
átomo y sólo se tiene niveles de energía
discretos. Entre las nanoestructuras más
estudiadas se encuentran las de
CdSe/ZnS, CdSe/CdS, InP/ZnSe,
CdTe/CdSe, entre otras. El resultado más
vistoso de estas nanoestructuras es la
capacidad para poder sintonizar la
longitud de onda o color de la emisión.
Así, con un solo material y variando el
tamaño de la nanopartícula es posible
obtener múltiples colores o longitudes de
onda de la señal emitida.
Las aplicaciones son impresionantes y
apuntan en todas las direcciones. Por
ejemplo, podrían ser utilizados como
colorantes inorgánicos sin problemas de
degradación a diferencia de los colorantes
orgánicos. También podrían ser utilizados
en el diseño de los nuevos amplificadores
ópticos de amplio ancho de banda tan
importantes en los sistemas de
comunicación óptica; en este caso cada
nanopartícula con un diámetro
determinado funcionaría como un
amplificador, así el ancho de banda se
determina con la selección adecuada de
los diámetros de las partículas. O bien
para la producción de fuentes de luz
blanca mediante excitación con un LED u
OLED o por electroluminiscencia. Quizás
una de las aplicaciones que mayor
atención ha recibido es en su uso como
etiquetas fluorescentes con emisión en la
región visible del espectro, para la
detección de una gran variedad de
compuestos entre ellas células
cancerigenas. Las técnicas actuales no
detectan bajas concentraciones de células
cancerigenas o compuestos de interés, por
lo que la técnica de detección de
fluorescencia de nanopartículas es una
gran promesa para la detección temprana
de este mal, para así incrementar el éxito
en el tratamiento. Dado el tamaño tan
pequeño de los puntos cuánticos
actualmente se intenta desarrollar
nanoestructuras más complejas formadas
por puntos cuánticos o nanocristales
acomplejados con diferentes componentes
que desempeñan distintas funciones,
detección, entrega de medicamento
dirigido, efecto de la terapia, etc. Es decir,
se busca una nanoestructura inteligente
con múltiples funciones. El problema que
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presentan los puntos cuánticos es que son
poco estables ya que tienden a
aglomerarse, además de que se excitan
con una fuente de luz UV donde la
mayoría de los compuestos que se pueden
encontrar en interior del cuerpo humano
emiten luz lo que significa pérdida de
contraste en la imagen de la célula
deseada.
Nanopartículas dieléctricas o nanocristales
Los nanocristales dieléctricos son óxidos
que presentan una banda de energía
prohibida muy ancha y como
consecuencia requieren altas energías de
bombeo o luz en el UV para obtener
emisión que en general es débil, aunque
cuando se combina en forma adecuada
con diversos componentes son excelentes
emisores de luz debido a su eficiencia y
alta estabilidad. Son excelentes matrices
para soportar iones de tierras raras que
son muy buenos emisores de luz. En este
caso no se observan efectos de
confinamiento debido a que los electrones
se encuentran localizados en orbitales
atómicos del ion activo. Sin embargo, la
dinámica de los iones emisores de luz se
ve afectada por la interacción a nivel
nanoscópico lo que puede producir una
mejora en la eficiencia de emisión. Entre
los nanocristales mas estudiados se
encuentran algunos silicatos como
Y2SiO5, la combinación nY2O3 + mAl2O3
que comprende puramente el óxido de
itria, puramente el óxido de aluminio,
cuando se combinan con n=3 y m=5 da
lugar a la estructura cristalina mas
utilizada en óptica para producir láseres
conocida como YAG, o YAP para la
combinación n=m=1 que corresponde a
uno de los cristales mas sensibles a la
radiación ionizante y que es utilizado para
la detección de rayos X o rayos gama. El
óxido de titanio (TiO2) y el óxido de zinc
(ZnO) que se utilizan en los bloqueadores
solares además de ser excelentes para los
procesos de fotocatálisis, útiles en la
reducción de contaminantes, para celdas
solares y como bactericida.
Recientemente, hemos demostrado
que el óxido de zirconio (ZrO2)
combinado con otros elementos bloquea
el rango completo de la luz ultravioleta,
especialmente aquella región que produce
el cáncer de piel. Este mismo nanocristal
presenta excelente respuesta en la
detección de radiación ionizante, UV,
rayos X, gama, beta y alfa, tanto en
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tiempo real como en forma acumulada lo
que sugiere buenas oportunidades para su
uso en el diseño de dosímetros para la
cuantificación de dosis recibidas.
Además, es excelente soporte para iones
de tierras raras, con las cuales hemos
obtenido luz visible (azul, verde y rojo)
excitando con una fuente en el cercano
infrarrojo. Ya que con esta fuente solo se
excitan los nanocristales no hay emisión
de fondo lo que mejora el contraste de las
imágenes obtenidas. Estas características
convierten a estos nanocristales en
excelentes candidatos en aplicaciones
biomédicas para la detección de diversos
elementos a concentraciones bajas. La
fabricación de estos nanocristales implica
un tratamiento térmico para el proceso de
oxidación lo que induce un tamaño de
partícula grande. Se han reportado
tamaños de partícula desde 10 a 90 nm.
Muchas veces se obtienen cristales muy
pequeños pero con poca eficiencia de
emisión, el reto es obtener mayor
eficiencia de emisión sin incrementar
demasiado el diámetro de las
nanopartículas. Tamaños promedios con
los que se han obtenido excelente
eficiencia de emisión son entre 40 y 60
nm.
Figura 3
Células cancerigenas sin (a) y con (b) etiquetas de nanopartículas de oro. Las células sin etiquetas fueron tomadas con tiempo de exposición tres veces mayor. Imágenes tomadas por nuestro grupo. Nanoestructuras metálicas: plasmones
Las nanopartículas metálicas tienen la
habilidad de esparcir y absorber la luz
incidente. En este caso, los efectos en las
propiedades ópticas respecto a su
contraparte en bulto se derivan de los
efectos electrodinámicos y de la
modificación del ambiente dieléctrico. A
escala nanométrica la frontera metal-
dieléctrico produce cambios
considerables en las propiedades ópticas.
Como resultado de la interacción entre la
nanopartícula metálica y la señal óptica se
obtiene la oscilación colectiva de
electrones de superficie lo que genera
bandas de resonancia conocidas como
plasmones localizados o plasmones de
superficie localizados. La longitud de
onda o color a la que se obtiene dicha
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resonancia se le conoce como banda de
absorción del plasmón que depende tanto
del tamaño como de la forma de la
nanopartícula y es lo que da lugar a la
diferente coloración observada. Las
nanoestructuras metálicas más conocidas
son partículas esféricas, barras y películas
con núcleo dieléctrico. Aunque más
recientemente se han reportado otras
estructuras como cubos, triángulos,
estrellas y ovoides. En todos los casos, la
banda de resonancia se recorre hacia el
cercano infrarrojo en comparación con las
nanopartículas esféricas cuya banda esta
centrada en la región verde del espectro.
Los plasmones producen en la
interfase un campo eléctrico intensificado
que a su vez intensifica varios procesos
ópticos lineales y no lineales. El campo
eléctrico producido es utilizado como una
interfase sensible a las interacciones
ópticas y se convierte en una poderosa
herramienta para el monitoreo óptico y
para la formación de imágenes ópticas
localizadas. Una de las aplicaciones bien
establecidas es la espectroscopia Raman
de superficie mejorada (SERS por sus
siglas en inglés). En este caso el espectro
Raman de un componente cercano a la
superficie metálica se ve fuertemente
amplificado. Se ha demostrado que es
posible amplificar el campo hasta 11 000
veces más cuando las partículas presentan
cierta aglomeración. Otros fenómenos
que presentan amplificación son la
espectroscopia infrarroja de superficie
mejorada, espectroscopia de fluorescencia
y la espectroscopia de resonancia de
plasmones de superficie. Todas estas
técnicas son complementarias y son
utilizadas en la detección de componentes
químicos y bioquímicos a nivel de trazas.
Quizás un proyecto más ambicioso es el
de poder detectar células cancerigenas a
temprana edad de lo cual ya se han
reportado importantes avances. En el CIO
trabajamos con nanopartículas de oro y
plata a fin de desarrollar sensores ópticos
para la detección de diferentes
compuestos a nivel de trazas y estamos
aplicado exitosamente nanopartículas de
oro en la detección de células
cancerigenas.
En resumen, las nanoestructuras
presentan propiedades ópticas únicas que
no presentan su contraparte en bulto o de
escala mayor. Éstas están siendo
utilizadas para el desarrollo de la nueva
generación de dispositivos
optoelectrónicos y/o fotónicos. Las
aplicaciones son muy variadas y abarcan
muchos campos haciendo de la
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nanociencia y nanotecnología una área
multidisciplinaria. Especial atención
recibe el uso de dichas propiedades en
aplicaciones biomédicas para la detección
a nivel de trazas de diversos agentes
patógenos. El estudio de las propiedades
ópticas de las nanoestructuras ha definido
una nueva área conocida como
nanofotónica. En el CIO se realiza
investigación de primer nivel en esta área
desde los últimos seis años. Nuestro
interés es convertir al CIO y al estado de
Guanajuato en líderes en esta nueva área,
generando nuevas tecnologías.
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Fibras ópticas micro-
estructuradas estrechadas
para fabricar sensores
David Monzón Hernández1 Vladimir P. Minkovich2
1. Introducción
Para la mayoría de las personas el
término fibras ópticas es familiar y
conocido; sin embargo, son pocos los que
pueden hacerse una imagen mental 1 Investigador Nacional Nivel I, es doctor en Ciencias por el CIO. Trabaja en el Departamento de Fibras Ópticas. [email protected] 2 Es doctor en Sistemas de Comunicación, Elaboración e Información de Óptica por el Instituto de Electrónica de Academia Nacional de Ciencia de Bielorrusia. Es miembro del S.N.I., Nivel I. Trabaja en el Departamento de Fibras Ópticas. [email protected]
adecuada de ellas y muchos menos los
que pueden describir con mas o menos
rigurosidad cómo una fibra óptica puede
conducir la luz. Existe también una
tendencia generalizada de asociar las
fibras ópticas a las comunicaciones, mas
precisamente con la conexión cotidiana al
internet. Pero el área de influencia de esta
tecnología es mucho más amplia, se
extiende rápidamente a campos tan
diversos como la medicina, la
aeronavegación, la ingeniería civil, el
monitoreo ambiental, los procesos de
producción, la industria automotriz o las
comunicaciones inalámbricas, por
mencionar sólo algunas de las más
comunes [Harding, W. (2005), Fiber
optics sensor, spie oemagazine, Nov/Dic
11, Wolbeis]. Esta diversificación se ha
logrado, principalmente, gracias a la
investigación básica que se realiza en este
campo de manera continua en todo el
mundo, de la que han salido importantes
desarrollos que nos han enseñado que las
fibras ópticas son algo más que los
eficientes conductores de la luz que
revolucionaron las telecomunicaciones.
Ahora también sabemos que: con las
fibras ópticas podemos construir láseres
para que produzcan un haz de luz de
manera continua (CW, continuous wave)
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o para que lo hagan solamente durante
una fracción de segundo cada
determinado tiempo. Se pueden hacer
láseres de fibra óptica que generen luz
visible, ultravioleta o infrarroja, para que
emitan unas pocas milésimas de un Watt
o para que produzcan millones, con cuya
energía es posible cortar el acero. Una de
las principales ventajas de los láseres de
fibra óptica es que la gran mayoría son
compactos y ligeros, por lo cual son
fácilmente transportables. También
hemos empezado a utilizar sistemas de
fibra óptica para medir, detectar o
controlar durante algún proceso, diversos
parámetros físicos (temperatura, presión,
tensión, humedad, etc.), químicos (acidez,
pH, oxidación, etc.) o biológicos
(reacciones cuerpo-anticuerpo,
manipulación celular, cauterización, etc.).
Investigaciones recientes han
demostrado que para guiar la luz dentro
de una fibra óptica no es indispensable
que las dos partes que la componen
(núcleo y revestimiento) sean sólidas
[Russel, P.St.J., (2003) Photonic crystal
fibers, Science, 299, 358.], es decir,
podemos tener un hueco al centro (lleno
de aire o de algún otro fluido) que haga la
función de núcleo, o tener un arreglo
periódico de agujeros en el revestimiento
a lo largo de toda la fibra. Este tipo de
fibras ópticas se conocen como fibras
ópticas de cristal fotónico o también,
fibras ópticas micro-estructuradas (FOM).
Este novedoso diseño en las fibras ópticas
ha mejorado significativamente las
condiciones de propagación de la luz,
abriendo un campo de investigación más
prometedor y excitante, si eso es posible,
del que la fibra óptica convencional nos
ha proporcionado durante los últimos 30
años.
En el Centro de Investigaciones en
Óptica, fundado en Abril de 1980, el
departamento de Fibras Ópticas está
conformado por 10 investigadores y 8
estudiantes de postgrado que trabajan en
tres líneas de investigación
principalmente, fabricación de fibras
ópticas micro-estructuradas (FOM),
construcción de láseres y fabricación de
dispositivos y sensores de fibra óptica. De
entre los proyectos vigentes actualmente
en nuestro departamento hemos elegido
escribir sobre un dispositivo fabricado
con fibra óptica micro-estructurada,
producida también en nuestras
instalaciones, que puede servir de base
para el monitoreo de tres parámetros
fundamentales: esfuerzos longitudinales,
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alta temperatura e índice de refracción en
líquidos.
La organización de este escrito se
ha hecho de la siguiente manera, en
primer lugar hemos de discutir la
estructura de una fibra óptica
convencional, para después poder
expresar las diferencias básicas entre ésta
y una fibra óptica micro-estructurada. En
la siguiente sección hablaremos sobre los
sensores de fibra óptica en donde
describiremos el procedimiento que
hemos desarrollado para sensibilizar una
FOM y finalmente detallaremos algunas
de sus aplicaciones más inmediatas como
sensor.
2. Diferencias entre una fibra óptica convencional y una micro-estructurada
Una fibra óptica es un hilo de vidrio muy
fino, más delgado aún que el grueso de un
cabello humano promedio, que puede
conducir eficientemente la luz. Si
observamos, con ayuda de un
microscopio, el extremo de una fibra
óptica descubriremos que tiene una
estructura cilíndrica y que el diámetro de
la circunferencia de la sección transversal
es de apenas 125 micrómetros (μm, 1x10-
6 m), como se observa en la figura 1(a).
Observando esta imagen podemos tener la
impresión de que la fibra óptica está
hecha de un vidrio únicamente. Sin
embargo, si analizamos transversalmente
la composición química de una fibra
óptica, partiendo de un punto situado en
el extremo del cilindro y desplazándonos
hacia el centro, observaremos que a 4.5
μm del centro, aproximadamente, la
composición cambia. Esto quiere decir
que la fibra está formada por dos vidrios
distintos, en el centro hay un cilindro
interior de 9 μm de diámetro y un índice
de refracción3 n1 y alrededor de este hay
otro vidrio con un índice de refracción
diferente que llamaremos n2. La
diferencia de índices es muy pequeña,
menor al 0.01%. La frontera generada por
el cambio de índice de refracción da lugar
a dos cilindros concéntricos, en donde el
cilindro central se conoce como núcleo y
el que lo circunda revestimiento. Todas
las fibras ópticas convencionales
presentan una estructura similar, aunque
las dimensiones del núcleo pueden variar 3 El índice de refracción, n, de un material es la razón entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y su velocidad en el medio, v.
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de 4 a 100 μm. La luz viaja por el núcleo
de la fibra óptica, sin penetrar al
revestimiento gracias a un fenómeno
conocido como reflexión total interna.
Una condición para que este fenómeno
ocurra es que la luz se debe propagar por
el material con mayor índice de
refracción, esto quiere decir que n1>n2.
Además, la dirección de propagación de
la luz debe de tener una desviación
mínima respecto del eje localizado en el
centro del núcleo de la fibra óptica.
En contraste con las fibras ópticas
convencionales, de núcleo y
revestimiento sólido, actualmente se están
desarrollando variantes, como la
estructura de panal que se muestra en la
figura 1(b), conocidas como fibra óptica
micro-estructurada, en las que se
combinan zonas sólidas de vidrio con
agujeros o canales de aire dispuestos en
un arreglo de anillos concéntricos. Estos
canales están a todo lo largo de la fibra
óptica, de manera natural delimitan una
región sólida en el centro que hará las
funciones de núcleo. La presencia de
regiones de vidrio y aire en el
revestimiento produce una disminución
en el índice de refracción efectivo
respecto al del núcleo. Estas condiciones
aseguran la conducción de la luz por la
región central de la fibra óptica. Las
dimensiones del núcleo, la separación y el
diámetro de los agujeros son parámetros
importantes que influyen fuertemente en
las características de las fibras ópticas
micro-estructuradas. En la actualidad se
trabaja con varios diseños de este tipo de
fibras ópticas alrededor del mundo, pero
la cantidad de posibles diseños que se
pueden generar son enormes. El diámetro
exterior de estas fibras ópticas también
está alrededor de los 125 μm.
(a)
b) Figura 1 Imágenes tomadas con un microscopio óptico donde se muestra (a) una fibra óptica convencional y (b) una fibra óptica micro-estructurada fabricada en el CIO. El diámetro exterior en ambos casos es 125 μm,
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Todas las tecnologías nuevas,
generan especulaciones respecto a sus
posibles aplicaciones. Sobre las fibras
ópticas micro-estructuradas se dice que
podrán conducir potencias ópticas
mayores, es decir que servirán para
construir láseres de fibra óptica más
potentes. Se ha probado
experimentalmente que puede
incrementar considerablemente el rango
espectral de las señales que pueden
transmitir, con lo que se espera construir
fuentes de luz blanca con buena
eficiencia. También se ha pensado que los
canales de aire de estas fibras ópticas
pueden servir como tubos de ensaye de
tamaño micrométrico en donde se
llevarían a cabo pruebas para determinar
la composición de una sustancia, química
o biológica, solamente con llenar los
agujeros y hacer pasar a través de la fibra
óptica un haz de luz. En realidad muchas
son solo hipótesis que tendrán que ser
probadas o desechadas mediante un
procedimiento científico riguroso, como
se ha hecho desde siempre con muchas
otras tecnologías.
3. Las fibras ópticas son instrumentos excepcionales en metrología
La búsqueda de un canal de comunicación
eficiente fue la principal motivación para
el desarrollo de las fibras ópticas. Sin
embargo, al poco tiempo se comenzó a
experimentar con la idea de utilizarlas
como instrumento de medición de
algunos parámetros físicos, es decir para
construir sistemas sensores. En términos
generales un sistema sensor es aquel que
en presencia de una perturbación externa
genera una señal de salida proporcional,
comúnmente eléctrica, que nos permite
medir la magnitud de la perturbación.
Una parte importante de un sistema
sensor es el transductor, que tiene la
función de transformar la perturbación
externa en una señal más sencilla de
medir. Existe una gran variedad de
sensores, pero aquellos que utilizan fibra
óptica tienen características únicas porque
son compactos, ligeros, se pueden hacer
mediciones remotas, son inmunes a la
perturbación de campos
electromagnéticos, entre muchas otras
virtudes. Estas cualidades las hacen
ideales para monitorear, por ejemplo,
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
426
altos voltaje y altas corrientes eléctricas
porque las fibras ópticas son inmunes a la
influencia de los campos
electromagnéticos que acompañan las
líneas de alta tensión, que por el contrario
afectan fuertemente a los sensores
electrónicos que son la principal
competencia de los sensores de fibra
óptica. Otra aplicación en la que las fibras
ópticas van ganando terreno es la
detección de sustancias inflamables o
explosivas. La razón es muy simple:
seguridad. Las fibras ópticas conducen
luz, no conducen electrones, por lo tanto
la posibilidad de que ocurra un corto
circuito que produzca una chispa es nula [
O. S., Fiber-optic Chemical sensors and
biosensors, (2004), Analytical Chemistry
76, 3279-32-84, Grattan, K. Y. V., &
Meggitt, B. T., (2000), Optical fiber
sensors Tecnology, Kluwer Academia
Publishers, Giallorenzi, T. G., Búcaro, J.
A., Dandridge, A., Siegel, G. H., Cole, J.
H., Rashleigh, S. G., Priest, R. G., (1982),
Optical fiber sensor Technology, IEEE
Journal of Quantum Electronics, QE-18,
626].
La idea de utilizar la luz como un
medio para medir algún tipo de parámetro
o perturbación no es nueva, se ha
utilizado desde hace bastante tiempo y
con mucho éxito. En la actualidad
muchos de los instrumentos metrológicos
más exactos se basan en mediciones
ópticas. Al incorporar las fibras ópticas en
un sistema de medición lo que se logra es
hacer medidas más seguras, en espacios
reducidos de difícil acceso, construir
sistemas compactos y portátiles. En un
sensor de fibra óptica la perturbación
externa produce cambios en al menos uno
de los cuatro parámetros de la luz:
intensidad, longitud de onda, fase y
polarización. Los cambios son analizados
para determinar la magnitud de la
perturbación. Es posible perturbar la luz
al actuar directamente sobre la fibra
óptica, pero también es común que la
fibra se utilice únicamente para llevar y
traer la luz de la zona de influencia de la
perturbación. En la figura 2(a) y (b) se
muestran dos esquemas sencillos de un
sensor de fibra óptica en donde se
ejemplifican las dos situaciones y se
muestran los elementos mínimos de un
sistema sensor. En la figura 2(a) la fibra
óptica de la derecha tiene la función de
llevar la luz de la fuente a la zona de
interacción con la perturbación. Mientras
que la fibra de la izquierda sirve para
colectar la luz que lleva codificada la
información de la perturbación hacia un
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
427
instrumento de medición. En el esquema
de la figura 2(b), la presión sobre la fibra
óptica produce micro-deformaciones en
su estructura, que inducen pérdidas de luz
en la fibra óptica. Conforme la presión
aumenta mas luz se escapa de la fibra
óptica. En el otro extremo la intensidad
de la luz que mide el detector está
directamente relacionada con la presión
que se ejerce sobre la fibra óptica. Estos
dos esquemas tan sencillos tienen muchas
limitaciones, por lo que se ha buscado
técnicas alternativas para producir
sensores que además de sencillos sean
eficientes y sobre todo sensibles.
En los esquemas de la figura 2(a)
y (b) podemos distinguir los elementos
básicos que componen un sensor de fibra
óptica elemental. En primer lugar
tenemos una fuente de luz. La variedad de
fuentes con la que ahora contamos es
extensa, fuentes de luz blanca, láseres y
diodo emisor de luz o LED que emiten de
manera continua o pulsada, con diferentes
longitudes de onda y potencia de emisión.
Hemos de elegir aquella que se ajuste
mejor a la técnica de detección empleada,
a las características de la variable a medir,
o incluso de los recursos económicos
disponibles. La fibra óptica está
conectada a la fuente de luz porque es
básicamente la que lleva la señal a la zona
de interacción con la perturbación y de
ahí al sistema de detección. El transductor
puede estar integrado o no a la fibra
óptica. Pero es muy conveniente que lo
esté porque de esta manera no hay
necesidad de sacar la luz de la fibra
óptica. La perturbación actúa
directamente sobre el transductor y
produce un cambio en sus propiedades
que a su vez son transmitidas a la luz que
conduce la fibra óptica.
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
428
Figura 2. Representación de dos sensores de fibra óptica (a) se utiliza un transductor externo y (b) la fibra óptica hace la labor tanto de transductor como de canal de comunicación.
Detector
Fibras ópticas Lentes
Perturbación
Fuente de luz
Detector
Fibras ópticas
Perturbación
(a)
(b)
Fuente de luz
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
429
El transductor es básicamente un
enlace entre la señal que queremos medir
y la luz con la que mediremos. Del otro
lado del sistema está el detector que se
elegirá en concordancia con la fuente de
luz, el parámetro de la luz que hayamos
modificado y también de nuestra
economía. El sistema de detección puede
ser tan simple y barato
como un fotodetector conectado a un
multímetro o tan complicado y costoso
como un analizador del estado de
polarización de la luz. En el sistema de
detección lo que se hará será analizar la
señal transmitida por la fibra óptica una
vez que haya pasado por la zona de
perturbación y se relacionará esta
medición con la magnitud de la variable
perturbadora desconocida. Este es el
procedimiento de caracterización del
sensor que se lleva a cabo en un
laboratorio bajo condiciones controladas,
comúnmente requiere de un
procesamiento de la señal que incluye el
uso de modelos matemáticos. Al final,
después de la caracterización el sistema
entrega al usuario una cantidad que índica
la magnitud de la variable de interés.
Como se mencionó anteriormente
una ventaja de los sensores de fibra óptica
es que la señal que lleva la información
está protegida en el núcleo de la fibra
óptica. Es deseable mantener la luz dentro
del núcleo la mayor parte del proceso
hasta llegar al detector. Pero esto
representa un problema para la
construcción de un sensor porque las
fibras ópticas fueron diseñadas
precisamente para ser insensibles a los
cambios externos. Esto quiere decir que
se debe “sensibilizar” la fibra óptica en al
menos una pequeña porción de su
longitud modificando al mínimo sus
propiedades. Existen ya algunos
procedimientos exitosos que hacen
sensibles a las fibras ópticas, es
decir que nos permiten modificar alguno
o algunos de los parámetros de la luz,
simplemente perturbando la fibra óptica.
Algunos procedimientos que se han
explotado durante los últimos diez años
para sensibilizar una fibra óptica
consisten en cambiar su geometría para
generar una zona en la que se puede
interactuar con la luz y modificar sus
parámetros. El procedimiento más
sencillo y repetible, es el adelgazamiento
o estrechamiento de la fibra óptica, que
consiste en calentar una pequeña zona
hasta suavizar el vidrio y al mismo
tiempo tirar de los extremos de manera
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
430
delicada y controlada [Birks, T. A. and
Li, Y. W., (1991), The shape of fiber
tapers, Journal of Lightwave Technology,
10, 432]. En nuestro caso hemos utilizado
un sistema no comercial que utiliza la
flama de un micro-soplete, producto de la
combustión de una mezcla de oxígeno y
butano, para calentar una pequeña sección
de la fibra óptica [Villatoro, J., Monzón-
Hernández, D., y Mejía, B., (2003),
Fabrication and modeling of uniform-
waist single-mode tapered optical fiber
sensors, Applied Optics, 42, 2278]. Los
extremos de la fibra se colocan sobre dos
monturas que se desplazan lateralmente
en sentido
contrario. El constante calentamiento de
la fibra, suaviza el vidrio, pero no cambia
la estructura de la fibra óptica, y mediante
el movimiento controlado y lento de las
monturas se logra que la fibra óptica se
adelgace en la zona de calentamiento. Se
puede reducir el diámetro exterior de la
fibra óptica de 125 a 1 micra, o incluso
mas delgada, obviamente mientras mas
delgada mas frágil y difícil de manipular
será la fibra óptica. Un reto importante en
la fabricación de fibras estrechadas es
reducir al mínimo las perdidas de luz
generadas por el procedimiento.
Conforme las dimensiones de la fibra
óptica se reducen parte de la luz empieza
a propagarse en la frontera de la fibra
óptica, pero la luz no se escapará mientras
no haya una perturbación que la obligue a
salir. De esta manera tenemos al alcance
de la mano la luz, para modificarla, sin
tener que romper la fibra óptica. Este
procedimiento es totalmente repetible,
fácil de automatizar y muy seguro.
Existen distintas técnicas para calentar y
suavizar el vidrio de una fibra óptica,
algunas utilizan la radiación de un láser
de CO2, el calor de un arco eléctrico
generado por la corriente entre dos
electrodos, los más sofisticados
emplean el calor de un horno eléctrico
miniatura. Las aplicaciones de esta
técnica son muchas y se han logrado
fabricar y comercializar dispositivos que
han revolucionado la misma tecnología de
las fibras ópticas y sus beneficiarios
directos.
Cuando este procedimiento lo
utilizamos para estrechar una fibra óptica
micro-estructurada obtenemos una
estructura como la mostrada en la figura
3(a). En el diagrama podemos distinguir
tres zonas, una zona de diámetro mínimo
y constante de longitud L0, en la que se
han colapsado los agujeros de aire, y a sus
extremos una zona de compresión
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
431
(izquierda) y una de expansión (derecha),
si la luz viaja dentro de la fibra de
izquierda a derecha [Minkovich, V. P.,
Monzón-Hernández, D., Villatoro, J.,
Sotsky, A. B., y Sotskya, L. I., (2006),
Modeling of holey fiber tapers with
selective transmission for sensing
applications, Journal of Lightwave
Technology, 24, 4319]. Es importante
puntualizar que los agujeros los hemos
colapsado intencionalmente, el sistema
permite estrechar la fibra sin producir este
efecto. Cuando la luz pasa a través de la
zona de compresión, las condiciones de
propagación que permiten el
confinamiento de la luz se rompen. Esto
da lugar a que la luz se distribuya en dos
modos que se propagan en la misma
dirección dentro de la fibra óptica. Estos
dos modos tienen constantes de
propagación distintas por lo que al viajar
a lo largo de la zona estrechada dan lugar
a un fenómeno conocido como
interferencia modal. Al llegar a la zona de
expansión, ocurre un acoplamiento de la
luz hacia el modo fundamental que se
propaga por el núcleo de la fibra óptica.
El modo fundamental lleva ahora la
información generada por la interferencia
de las dos señales.
Figura 3 (a). Estructura de una fibra estrechada, en la zona central se muestra la zona más delgada, a la derecha la zona de compresión y a la izquierda la zona de expansión. En la zona central hemos colapsado los agujeros de aire. μw y L0 representan el diámetro exterior y la longitud de la zona estrechada.
En la figura 3(b) se muestra con
línea continua en rojo la distribución en
longitud de onda de la señal que hemos
inyectado en la fibra óptica. Con línea
punteada en negro observamos el
resultado de la interferencia después de
que la luz pasó por la zona estrechada. La
interferencia de los dos modos genera un
patrón en donde podemos observar que el
estrechamiento inhibe la propagación de
algunas longitudes de onda mientras que
favorece otras. Este comportamiento es
muy conveniente porque nos genera una
huella única para cada fibra estrechada. El
número y grosor de los picos de
interferencia depende del diámetro final
de la fibra óptica. Mientras más delgada
L0
ρw
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
432
sea la zona estrechada se tendrán más
picos y serán delgados.
1440 1470 1500 1530 1560 1590 16200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Tra
nsm
isió
n
Longitud de onda (nm)
Figura 3 (b). Espectro de transmisión de un LED (línea roja continua) después de viajar dentro de una fibra óptica micro-estructurada adelgazada a 30 micrómetros.
Una característica importante de
estas fibras ópticas estrechadas es que
podemos modificar la posición de los
picos de interferencia si modificamos la
longitud, la temperatura o el
material que circunda la zona estrechada
de la fibra óptica. Por ejemplo, cuando
estiramos la fibra óptica cambiamos las
constantes de propagación de los dos
modos de tal manera que la señal de
interferencia tendrá una distribución
diferente, como lo muestra las líneas
punteadas de la figura 3(c).
Figura 3(c). Espectro de transmisión de dos fibras ópticas micro-estructuradas estrechadas tras someterlas a estiramiento
Lo mismo ocurre cuando
sometemos la fibra óptica a temperaturas
altas, arriba de los 100 ºC, observaremos
un corrimiento del patrón de interferencia
conforme aumenta la temperatura. Para
hacer las mediciones se selecciona uno de
los picos de interferencia del espectro y se
monitorea el desplazamiento que sufre la
longitud de onda cuando generamos un
cambio en la zona estrechada de la fibra
óptica. De esta manera hemos obtenido
las gráficas que se muestran en las figuras
3 (d), en donde observamos claramente
como es el desplazamiento de la longitud
de onda de uno de los picos con respecto
a la temperatura externa [Monzón-
Hernández, D., Minkovich, P. V., and
Villatoro, J., (2006) High-temperature
sensing with tapers made of
microstructured optical fibers, IEEE
1200 1240 1280 1320 13600.0
0.3
0.6
0.90.0
0.3
0.6
0.9
1440 1480 1520 1560 1600 1640
1
Tra
nsm
isión
Longitud de onda (nm)
Longitud de onda (nm)
1
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
433
Photonics Technology Letters, 18, 511;
Minkovich, V. P., Villatoro, Monzón-
Hernández, D., Calixto, S., J., Sotsky, A.
B., y Sotskya, L. I., (2005), Holey fiber
tapers with resonance transmission for
high-resolution refractive index sensing,
Optics Express, 13, 7609].
200 400 600 800 10001290
1295
1300
1305
Long
itud
de o
nda
(nm
)
Temperatura (C)
Calentamiento Enfriamiento Ajuste lineal de los puntos
Figura 3(d). Caracterización de la fibra óptica micro-estructurada estrechada ante cambios de temperatura
4. Conclusiones Las fibras ópticas son dispositivos
fotónicos excepcionales, han ayudado y
fomentado enormemente al desarrollo de
nuevas tecnologías, de las que nos hemos
y continuamos beneficiando. Nosotros
hemos aprovechado el fenómeno de
interferencia modal, que ocurre dentro de
la zona estrechada de la fibra óptica para
desarrollar un novedoso dispositivo de
fibra óptica que puede ser utilizado para
medir alguna perturbación externa de
manera directa.
El procedimiento de fabricación
del dispositivo es muy sencillo, repetible,
y seguro. Las propiedades como sensor de
esfuerzos, alta temperatura, e índice de
refracción (que no hemos discutido aquí)
pueden ser aprovechadas para desarrollar
un gran número de aplicaciones.
Agradecimientos
Este desarrollo lo hemos realizado
completamente en el Centro de
Investigaciones en Óptica y gracias al
apoyo económico del CONCYTEG y el
CONACYT, mediante sus programas de
apoyo a la investigación básica.
También queremos agradecer al
Dr. Donato Luna Moreno y a la Ing. Dalia
Martínez Escobar por su colaboración en
la revisión de este documento.
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
434
Proyectos CIO-MABE
Bernardino Barrientos García1
Carlos Pérez López2
Durante los últimos años, El Centro de
Investigaciones en Óptica ha impulsado
en forma notoria la vinculación con el
sector industrial. Estamos conscientes
que la retribución de llevar a cabo un
proyecto con la industria en forma exitosa
se refleja en varios puntos positivos, tales
como el ayudar a elevar la capacidad
tecnológica de las empresas con su
consecuente creación de puestos de
trabajo, y la obtención de un mayor
acercamiento entre el Centro y la
sociedad en su conjunto.
Como parte de dicho impulso, en
el 2006, iniciamos dos proyectos con la
empresa MABE bajo la modalidad de 1 Doctor en Ciencias por el CIO. Investigador Nacional Nivel I. Investigador del Departamento de Metrología Óptica. [email protected], 2 Doctor en Ciencias por el CIO. Investigador Nacional Nivel I. Investigador del Departamento de Metrología Óptica. [email protected]
proyectos tipo Consorcios apoyados en
partes iguales por CONACyT y dicha
empresa. El objetivo de tales proyectos
fue el de mejorar el desempeño de dos
productos de línea blanca fabricados y
comercializados por MABE: un
refrigerador y una lavadora, de tal forma
que ambos casos cumplieran con
estándares de exportación. Estos
proyectos fueron terminados en octubre
del 2006 y abril del 2007,
respectivamente, a entera satisfacción de
MABE.
En el proyecto relacionado con
refrigeradores se utilizó análisis de
aerodinámica para obtener una mejor
comprensión del comportamiento espacial
y temporal del flujo de aire de
refrigeración en las diferentes zonas que
comprende un refrigerador, tales como la
zona de anaqueles y la zona de parrillas.
Similarmente, para el proyecto que
incluyó una lavadora, se llevaron a cabo
estudios hidrodinámicos del anillo de
balance de la unidad, pieza que es
fundamental en el control de vibraciones,
particularmente aquellas vibraciones que
se presentan durante el ciclo de secado.
Para tales estudios se utilizaron dos
técnicas ópticas comúnmente usadas en el
análisis de flujos de fluidos, la
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
435
velocimetría por imágenes de partículas,
PIV (Particle Image Velocimetry) y la
visualización mediante videos.
En primer término describimos las
actividades y logros obtenidos en el
proyecto “Flujo de aire en un
refrigerador”. El objetivo del proyecto:
minimizar la diferencia de temperatura
existente entre las zonas superior e
inferior de un refrigerador. Un
requerimiento adicional fue la de obtener
mayor uniformidad en el flujo de aire
dentro de la unidad. Estos objetivos
fueron cumplidos mediante resultados
tanto cualitativos como cuantitativos. Se
obtuvieron resultados cualitativos
mediante visualización con videos de alta
definición del flujo de aire, donde una
cámara de alta definición y un láser de
argón de 500 mW fueron usados. Por otra
parte, los resultados cuantitativos fueron
obtenidos mediante el uso de PIV. PIV
consiste en la visualización y
cuantificación de campos de velocidad
bidimensionales en fluidos por medio de
la inyección de partículas en el mismo.
Como se ve en la Figura 1a, el flujo de
interés es iluminado mediante una hoja de
luz proveniente de un láser Nd:YAG a
532 nm. La luz dispersada por las
partículas llega a una cámara CCD, la
cual toma imágenes consecutivas del
flujo.
Figura 1a. Arreglo PIV-visualización para un refrigerador.
Láser Cámara de 1392x1024 pix (opcional: cámara HD de 30 Hz)
Sincronización víaLabView
Lente
Vista frontal: zona de anaqueles
Vista lateral: Zona de parrillas
Vista posterior
Dirección de iluminación
Dirección de observación
Refrigerador bajo estudio
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
436
La Figura 1b incluye una
fotografía de uno de los refrigeradores
en plena prueba. En dicha fotografía se
aprecia el color verde típico de un láser
Nd:YAG. Debido a que el láser emite
luz en pulsos ultracortos (5 ns), es
posible congelar el movimiento del
fluido, y por tanto las imágenes de las
partículas tienen alto contraste y pueden
ser sujetas a análisis. Generalmente, para
encontrar el desplazamiento efectuado
por las partículas de una imagen respecto
a otra, se aplican algoritmos
computacionales a dichas imágenes. Ya
que el tiempo entre dos adquisiciones
está bajo control del usuario, entonces es
posible calcular el campo de velocidad
(magnitud y dirección) para cada par de
imágenes consecutivas.
Figura 1b. La fotografía muestra a uno de los refrigeradores en plena prueba.
Para obtener la mejor
distribución del aire frío tanto en la zona
de parrillas como en la zona de
anaqueles, se procedió a encontrar la
mejor posición y geometría de las salidas
de aire que surten a éste al interior del
refrigerador, así como el gasto óptimo
del mismo. Mediante la técnica de
visualización se logró obtener el primer
juicio del comportamiento del
refrigerador. Una vez que se
seleccionaba cierta configuración, ésta
debía ser comprobada cuantitativamente
mediante PIV. Una forma alterna de
medir la eficiencia de la distribución de
aire fue mediante la medición de la
diferencia de temperatura existente entre
las parrillas superior e inferior. Esta
parte fue realizada por MABE en todas
las fases del proyecto. Los datos que
MABE obtuvo con dicha técnica
siempre estuvieron altamente
correlacionados con las predicciones de
PIV, ya que se observó que la cantidad
de aire de refrigeración en las distintas
zonas estaba relacionada con su
temperatura.
La unidad de refrigeración contó
con una unidad de control y monitoreo
por software y hardware. Esta nos
permitió llevar a cabo análisis con
condiciones controladas. Por ejemplo, se
podían establecer condiciones idénticas a
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
437
las que se observan cuando se abre la
puerta frontal del refrigerador.
Los resultados tanto de
visualización como de PIV fueron
usados para comparación con resultados
obtenidos por MABE usando el paquete
de modelado CFX de ANSYS. En la
Figura 2 se muestra un ejemplo de
dichas comparaciones. Se aprecia una
alta correlación entre ambos resultados.
Figura 2. Comparación entre resultados PIV experimentales (abajo) y CFX (arriba) para el flujo de aire observado en la parrilla inferior. La velocidad está dada en cm/s. Finalmente, los logros de este proyecto
fueron, tanto la obtención de un menor
gradiente de temperatura como una
mejor distribución del aire de
refrigeración en un refrigerador. Esto al
final del día significó contar con un
refrigerador altamente eficiente en
cuanto a consumo de energía y que a la
vez tiene un costo relativamente bajo de
producción.
El segundo proyecto, “Análisis
de velocimetría de un anillo de balance”
estuvo relacionado con el análisis del
desempeño de una lavadora,
particularmente durante el ciclo de
secado. En este caso el objetivo fue:
acortar el tiempo del ciclo de secado.
En este proyecto se utilizaron las
mismas técnicas de medición que fueron
usadas en el proyecto descrito
anteriormente, PIV y uso de videos.
Mediante el uso de videos fue posible
acceder a la dinámica de la lavadora en
la etapa de inicio/aceleración del ciclo de
secado. Esta etapa es una de las más
críticas en el desempeño de la lavadora
ya que el grado de inestabilidades debida
a vibraciones en este período es máximo.
El tiempo de esta etapa fue de alrededor
de 1 s. Aquí se utilizó una cámara rápida
de 10000 imágenes/s en conjunto con
lámparas de halógeno de 2000 W. En
esta etapa fue posible evaluar cualitativa
y cuantitativamente varios parámetros,
tales como el aspecto inercial del fluido,
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
438
los tiempos de estabilización, las
frecuencias resonantes, el
desplazamiento 3D del tambor, etc. El
arreglo usado en los experimentos es
similar al de la Fig. 1. Al igual que en el
caso del refrigerador, el ángulo entre la
dirección de observación y la dirección
de iluminación fue de 90º.
Una segunda etapa del proyecto
incluyó la medición de campos de
velocidad del flujo de fluido existente en
el interior de la lavadora. Los resultados
de esta etapa ayudaron a comprender la
influencia de la geometría de las
diferentes partes sobre el grado de las
inestabilidades. En la Figura 3 se
muestra un resultado PIV típico, del
anillo de balance tomado desde la vista
de planta. En la parte a) los resultados
contienen tanto las componentes de
velocidad debidas al fluido como al
movimiento de cuerpo rígido debido al
giro del anillo. En la parte b) se muestra
el mismo resultado pero la componente
de movimiento de cuerpo rígido ha sido
eliminada. Este último tipo de resultado
es más útil ya que muestra sólo la
influencia del anillo.
a)
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
439
b)
Figura 3. Distribución de velocidades típica en un anillo de balance, a) con movimiento de cuerpo rígido. Los vectores de velocidad están sobrepuestos a la imagen de partículas. La velocidad está dada en cm/s y las dimensiones de la región en mm. b) sin movimiento de cuerpo rígido. En la parte superior se muestran los valores máximos y mínimos en el mapa de velocidades en m/s. Adicionalmente, entre paréntesis, se muestran las coordenadas de estos puntos. Las escalas horizontal y vertical corresponden a las dimensiones de la región de observación en m.
Entre los logros a destacar de
este proyecto, podemos mencionar un
mejor entendimiento de las diferentes
etapas del ciclo de secado de una
lavadora con carga vertical.
Cabe señalar que personal de
MABE siempre estuvo involucrado en
ambos proyectos, ya fuera en foros de
discusión, uso de los arreglos
experimentales o asistencia a cursos
especialmente diseñados por el CIO para
tales proyectos, de tal forma que siempre
hubo un proceso de retroalimentación y
complementariedad. Esto tuvo como
consecuencia que ambos proyectos
tuvieran un término exitoso.
Finalmente, se enlistan los
colaboradores de los dos proyectos.
Refrigeradores: por parte del CIO, Dr.
Bernardino Barrientos García, Dr. David
Moreno Hernández, Dr. Ascensión
Guerrero Viramontes y Dr. Carlos Pérez
López; por parte de MABE, M. C.
Rosalba Cobos, M. C. César Gutiérrez
Pérez, M. C. Israel Sánchez e Ing.
Antonio Olvera. Lavadoras: por parte
[Ide@s CONCYTEG] Año 2, Núm. 24, 20 agosto de 2007
440
del CIO, Dr. Carlos Pérez López, Dr.
Bernardino Barrientos García, Dr. David
Moreno Hernández y Dr. Manuel de la
Torre Ibarra; por parte de MABE, M. C.
Leonardo Urbiola, M. C. Alfonso
Thompson e Ing. Martín Ortega.
Desarrollo de Tecnología de Punta en el CIO
Ide@s CONCYTEG ®. 2(24): Junio, 2007
ISSN: 2007-2716. Guanajuato, México.
http://www.latindex.org/buscador/ficRev.html?opcion=1&folio=19044