Aplicaciones de La Difraccion

 

 

PLIC CIONES DE L DIFR CCIÓN  I. 

CONCLUSIONE

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA 

PROFESOR:  ADRIANO PEÑA ROLANDO

CURSO : 

ÓPTICA Y FÍSICA MODERNA (FÍSICA IV)

FECHA DE ENTREGA: 0 7/ 05 /18

INTEGRANTES:

-  Apeña Achilla, Jannet Samira

16190249

-  Calderon Juscamayta, Jheysson

16190252

-  Valverde Bandan, Kelly Nathaly

16190277

-  Zapata Gutiérrez ,Paolo Javier

16190018

-  Julca Sanchez ,Edward

14190125

2 18 18   

 

 

1. OBJETIVOS   Entender la importanci importancia a de la di difracción fracción en lla a tecnologí tecnología a actual y como se apl aplica ica en di distintos stintos campos de estudio.   Mostrar como con la ayuda del fenómeno de difracción se ha desarrollado distintos aparatos para mejorar la historia co con n los avances científicos. 



2. ESTADO DE ARTE Difracción es la interferencia de ondas de una sola fuente. Este fenómeno se puede resumir o describir como el paso de la luz por una rendija estrecha, esto produce que las ondas se curven alrededor de esta rendija u obstáculo. Estos efectos son observables cuando se trata de un obstáculo o abertura comparable en tamaño a la longitud de la onda considerada. Partiendo de este concepto, a pesar de verse muy sencillo este enunciado, en los últimos años hemos visto diversas aplicaciones que tiene la difracción, y de cómo éstas han tenido impacto en la tecnología en diferentes campos de estudio, pero ¿Qué ttan an importante son estas aplicaciones? Una parte técnica o aplicativa del tema tratado sobre la difracción esta direccionada hacia los células solares, para eso tenemos que hacer una inspección histórica y ver cómo estos fueron idealizados en base a la idea de la ”ley del mínimo” propuestas por el alemán, Justus Von Liebig con lo cual descubre las reglas de la eficiencia, enunciando: “De   igual forma que la capacidad para almacenar agua de un barril con tablillas de distinta longitud está limitada por la longitud de la más corta de todas, el crecimiento de una planta se ve limitado por el nutriente más escaso” vemos que tiene relación con la fabricación de los los paneles ssolares olares quienes fueron hechos p por or primera vez por el físico francés Edmon Edmond d Becquerel en 1839 a los 19 años, cuya eficiencia estaba limitada por el peor parámetro. Es decir que aunque componentes esténento optimizad optimizados, os, basta que uno de e ellos llos no este optimizado al 100% para quelos nodemás permitan un desenvolvimi desenvolvimiento óptimo. Varios conductores pueden emplearse, pero se prefiere el de silicio por la abundancia de este material. En la actualidad hay muchos estudios dirigidos al mejoramiento de éstas, con alentadores resultados mostrando que para una mejor absorción de energía también es importante la implementación de rejillas de difracción en las partes traseras. Así también, deben adoptar formas esféricas hexagonales par para a una mejor captura de la luz. Otra de las más importantes que ha tenido la difracción ha sido en el campo de las telecomunicaciones ya que a lo largo de estos últimos años ha proliferado el desarrollo de la industria en el campo de la fibra óptica, centrándonos centrándonos especi especialmente almente en llos os sensores que se pu pueden eden descri describir bir como disp dispositivos ositivos electrónicos electrón icos que son capaces de sensar o monitorear distintos y diversos parámetros físic físicos os y a la vez aplicados en diferentes ámbitos de la ciencia e ingenierías, por ejemplo en la ingeniería civil para monitorizar puentes o centrales eólicas, también en la ingeniería naval para monitorear cargas mecánicas y estructuras en campos.

 

  Estos sensores han desplazado a otros desarrollados con diferentes métodos basados en interferómetros Fabry-Perot, o los sensores basados en backscattering, los sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg han cautivado la especial atención por su versatilidad y sus inherentes características frente a los sensores convencionales: inmunidad a las interferencias, no conducen corriente, no explotan, resistentes a radiaciones ionizantes, no necesitan re-calibración, alta sensibilidad, gran ancho de banda, facilidad para ser utilizados dentro de las redes de comunicaciones ópticas. Siendo la fibradeóptica tan relevante en ladeactualidad venido realizando un gran esfuerzo ende la investigación la fabricación de redes difracciónseenhafibra óptica. Para lograr grabar una red difracción en fibra es necesario modificar el índice de refracción de su núcleo de forma externa, aunque generalmente se usa fibra dopada que sea fotosensible a la luz UV, se están buscando alternativas que fácilmente modifiquen su índice de refracción sin la ayuda de trabajar con fibras especiales. En este trabajo se corrobora que la hidrogenación, hidrogenación, una de las técnicas de realce de la fotosensibilidad, no limita en absoluto el uso, fiabilidad y durabilidad en alta temperatura de los dispositivos generados. La reflectividad de las RDFO se ve menguada según incrementa la temperatura como consecuencia de un aporte energético que vuelve a reordenar los distintos compuestos de la fibra. Simplemente se desvanece (eliminado (eliminado de la red de difracción) cuand cuando o se alcanza la temperatura de fusión de la fibra, lo que implica el límite de uso en temperatura de este tipo de dispositivos. Otro extenso ejemplo es la difracción de rayos x, que si bien tiene antecedent antecedentes es tan anteriores como de hace un siglo, desde el descubrimiento de los rayos por el alemán Röntgen, en la actualidad se han moldeado y evolucionado en múltiples ha utilizado para catalíticos, analizar la ferroeléctricos composición dey suelos e identificar minerales, cristales,aplicaciones. aleaciones, Se metales, materiales luminiscentes, etc. Este tipo de análisis se ha incorporado al estudio de materiales en el área de la nanotecnología. El difractómetro con el que se trabaja, muestra difractogramas, que ayuda a determinar la composición y el sistema cristalino al que pertenece el compuesto así como los parámetros de celda, es decir, la unidad mínima con que se organiza un cristal. Además también nos permite determinar el tamaño de estos compuestos nanos. Este método no solo se limita a las áreas de geología, mineralogía, o relacionados, sino que se puede extender a campos como la arqueología donde se analiza piezas de cerámicas arqueológicas, así identificar las fases cristalinas presentes en las muestras, además de ganar información sobre la composición superficial en relación con la matriz, especialmente especialment e los pigmentos empleados en los diseños de las cerámicas. Si bien el proceso de la difracción de rayos x es un proceso estándar y muy utilizado, en la mineralogía y en diferentes d iferentes áreas está siendo desplaza desplazado do por la técnica EBSD o “técnica de difracción de electrones retro-proyectados” (Adam y Mukul, 200 0; Tschiptschin, 2002), convirtiéndose en una de las técnicas más utilizadas en el análisis de aspectos relacionados con la cristalografía de materiales de ingeniería. Su versatilidad y ventaja frente a la difracción de rayos X, ha permitido que investigadores de todo el mundo en los más diversos campos de la ciencia e ingeniería de materiales, la hayan comenzado a explorar y sacar el máximo provecho posible. posible.  Así también, la microscopia electrónica, electrónica, también relaci relacionado onado con la difracción de electro electrones nes al igu igual al que la técnica EBSD, ha permitido aportar una primordial herramienta para una mejor observación de organismos y materiales que el microscopi microscopio o óptico común no podía llegar, debido a su alta radiación por la longitud de onda de la luz, a diferencia de la longitud en los electrones que es más corto, con las cuales se proyecta. Y por supuesto, es un hecho que la tecnología impacta a la sociedad de manera impresionante por lo que es necesario mencionar una aplicación que continua desarrollándose para ser más útil en la vida real. La holografía muestra al objeto en tres dimensiones, brindando mayor información que una simple fotografía; que no solo cuenta con la variación de la intensidad como en la fotografía sino con la fase dependiendo de la profundidad del objeto. Esto causa la impresión que el objeto es visto físicamente y nos da esa oportunidad de poder movernos y mirar a detalle distintos ángulos de la escultura de luz.

 

Este gran aporte es gracias Dennis Gabor que en el intento de mejorar las imágenes del microscopio electrónico encontró una forma de representar los objetos en 3D. Con ayuda del haz del láser se capta al objeto que se quiere q uiere representar, lueg luego o con una placa fotográfica se recibe la luz del láser, se obtiene un patrón de franjas franjas de la imagen, que se ilumina ilumina y genera al hol holograma. ograma. La holografía es un aporte muy eficaz que recoge información precisa y permite reconocer si hubo algún cambio en el objeto, por lo cual es aplicado en distintos campos científicos como tecnológicos. Entre los proyectos se encuentran los hologramas láser 3D, televisor con tecnología 3D sin gafas, implementación de la microscopia holografía digital para la detección de microorganismos en sangre. Este último es una gran representación de como en la medicina demandan de instrumentos cada vez más complejos, otras alternativas que superen las dificultades que se padecen. Esta aplicación trata de aprovechar el movimiento del parásito T.Cruzi a partir de la comparación de dos hologramas tomados en tiempos consecutivos, logrando una imagen final con perturbaciones indicativas de la presencia del parásito. Se pueden utilizar estas técnicas para el diagnóstico de la fase aguda de la enfermedad de Chagas, ya que es preciso y se puede examinar al 100% la muestra debido a los campos de visión rectangulares. Por otro lado, últimamente se ha notado grandes avances en las técnicas para profundizar y utilizar la materia a escalas nanométricas, lo cual conduce a consecuencias como conceptos modernos de dispositivos nanoelectrónicos nanoelectrónicos y nanofotónicos con una gran diversidad de aplicacione aplicaciones. s. La incorporación de dispositivos semiconductores a gran escala para la elaboración de circuitos integrados ha logrado tal magnitud de miniaturización que las dimensiones empiezan a ganar importancia esencial en los fenómenos vinculados a la interacción luz-materia. Se ha elaborado un prototipo óptico para llevar a cabo experimentos de mediciones de plasmones polaritones de superficie empleando rejillas de difracción metálicas en contacto con un medio dieléctrico. Este prototipo realizará mediciones de plasmones polaritones de superficie en haces de luz que se encuentren difractados a ángulos menor a 90°, con lo cual se hicieron experimentos para hallar el ángulo resonante de excitación de plasmones polaritones de superficie a través de una rejilla de difracción, donde su periodo espacial es superior a la longitud de la onda de la señal de iluminación. Se hicieron ensayos en laboratorio donde se realizó mediciones de la curva de intensidad de la señal de la luz difractada en los órdenes +1 y -1, lo cual se pudo corroborar con lo que se propuso teóricame teóricamente. nte. Esto nos muestra que la difracción se sigue investigando cada vez más, con nuevas aplicaciones moldeándose moldeándos e a las necesidades de la actual tecnología.

3. DESCRIPCIÓN 3.1 MEJORAMIENTO DE ABSORCIÓN DE LA LUZ MEDIANTE CÉLULAS SOLARES Como pocas personas saben la energía fotovoltaica es un tipo de energía renovable con gran proyección en el futuro porque ya genera un gran interés debido a lo baja significativa de los precios de los paneles solares, además de las múltiples trabas por las energías ya posicionadas alrededor del mundo como las compañías eléctricas cableadas que vieron como amenaza a sus capitales invertidos en el mundo. Son fabricados fabricados de silicio mo mono no o poli cristali cristalino no de los cuales el mo mono no cristalino pr presenta esenta mejor eficiencia existen también de distintos materiales como el arseniuro de galio que alcanzan mayores eficiencias. eficiencias. El propósito de este in informe forme es demostrar que al apl aplicar icar una rejill rejilla a e difrac difracción ción en cualquiera de las caras del panel. El formalismo y los resultados son válidos en el límite en el que el espesor de la célula solar es mayor que la longitud de coherencia del espectro solar que ilumina, el uso de estos diseños ópticos mejora la absorción e pues las células solares solo absorben una cierta parte del espectro solar débilmente. Históricamente, esto ha sido de gran importancia para las células de película delgada, y en menor medida, para las células a granel basado en semiconductores indirectos, tales como silicio cristalino.

 

  Dos posibles estructuras de células solares. En la configuración (a) de la rejilla se coloca en la cara frontal de la célula solar y en la configuración (b) se coloca en la parte trasera. Un perfecto reflector se coloca en la parte trasera en ambos. Ordenes confinadas, fuente iluminada órdenes de escape y órdenes escape no iluminadas desde la fuente estánde representados por flechas negras, rojas y azules, respectivamente. En la configuración (b) el área triangular sombreada más ligera representa el cono de escape, que se define Por el ángulo crítico de la parte delantera. Dieléctricos perfectos o conductores perfectos). Por lo tanto la disipación de energía en la rejilla y generación de plasmones de superficie se ignora.

Se tiene que tener en consideración que para que una célula solar pueda ser iluminada por una onda plana incidente incidente desde arr arriba iba cuyo vector dirección de propag propagación ación el vacío está da dada da por la ecu ecuación: ación:

De donde ̂e ,̂ey , ez son vectores unitarios paralelos a los ejes de coordenadas y u , uy , uz   son los llamados cosenos directores con los respectivos ejes, en cualquier configuración de la onda esta incide sobre las rejillas y es difractado en una serie de rayos reflejados y trasmitidos propagando órdenes, los componentes vectoriales de estas órdenes tangenciales al plano xy(⃗u= u  e + uŷey ) se dan por la ecuación de Fraunhofer. De donde ⃗b ,⃗b  son los vectores reticulares recíprocos de la difracción rejilla y (⃗b = 0  para una red lineal uni-periódica) y ( m , m )  ) son los índices de orden de di difracción fracción entero enteross n es el índice refractivo del medio en el que la orden se propaga y λ  =⃗u   son los vectores de dirección de llongitud ongitud de ond onda ay tangenciales en en el vacío respectivamente est esta a ecuación descri describe be cualquiera de los 2 casos mostrados anteriormente en el caso (a) hay ordenes reflejadas y trasmitidas aquí todos las ordenes reflejadas escapan que e en n en la elconfiguración (b) solo hay ordenes reflejados y del todas las ordenes trasmitidas mientras que se propagan interior de la celda se confinan en la parte trasera reflector y todas las ordenes que formen ángulo con el plano z que es mucho m menor enor que ángulo critico se escapan pero aquellas que son mayores que el ángulo critico son reflejadas en la superficie frontal por reflexión interna total . Esto define el cono de escape que está representad representado o por el área triangular sombr sombreada eada más clara en (b). Todos los pedidos confinados son representados por flechas negras. En ambas configuraciones, todos los rayos confinados vuelven a incidir en la rejilla, su componente tangencial sin cambios. Esto se sigue para todos los pasos subsiguientes; la potencia radiante se redistribuye entre los órdenes de difracción en cada evento, pero las órdenes que son distintos de la serie original no se crean. Por consiguiente, el problema se puede formular como un sistema discreto de N  órdenes difractadas que pueden descomponerse en órdenes s  y p  órdenes difractadas polarizadas de la forma 2N  La onda plana incidente inicialmente se considera que es una orden incidente cuya contraparte difractada es la reflejada de orden cero (m = m = 0) en la ecuación que tiene las misma ⃗u  por lo tanto escapa de la célula solar.

 

Este par se denomina como una fuente iluminada con orden de escape y se muestra como dos rojos flechas en la figura inicial Todas las demás órdenes de escape son denominadas denominadas órdenes de escape no iluminadas por fuente y son incidentes en la rejilla con amplitud cero; estas están representados por flechas azules. Siguiendo la teoría de rejillas convencional, el complejo amplitud de campo eléctrico de la i-ésima orden polarizada inmediatamente después de la difracción de la red es linealmente relacionado con el de todos los demás pedidos polarizados de inmediato antes de la incidencia en la rejilla: los coeficientes de esta ecuación lineal son los elementos de la matriz de dispersión s = [sjj ]×  que son complejos y por lo tanto actúan en amplitud y fase del campo armónico de tiempo

Eff  = ∑≤j≤ Sjj Ejc .

La matriz de dispersión es una propiedad de la específica rejilla perfil y depende del vector de onda incidente. Hay una variedad de métodos disponibles para calcular la matriz de dispersión computacionalmente, basado en la solución rigurosa de las ecuaciones de Maxwell después de hallar los limites termodinámicos termodinámicos y lambertianos con los filtros de Rugate Rugate para comparar los resultados en el siguiente gráfico.

Los límites de absorción superiores para las células que emplean una rejilla de difracción dispuesta en la cara frontal f rontal (líneas continuas) y un filtro Rugate (líneas de trazos) en función f unción del factor de Límites concentración de la con luz de iluminación. para células absorbancias distintas se muestran en negro, rojo, azul y verde, respectivamente. En cada caso, la rejilla se coloca en la superficie frontal de la célula. Las líneas punteadas representan el límite lambertiano para distintas absorbancias.. absorbancias

Número relativamente similar de órdenes de fuente de iluminación; y ya que hay muchas órdenes difractados, sus longitudes pueden ser de forma uniforme con particiones. La varianza total en longitudes de trayectoria puede ser arbitrariamente pequeño: el límite de absorción superior para una rejilla de difracción es igual al límite termodinámico. Las líneas continuas en la figura 6 representan este límite como una función fun ción del factor de concentraci concentración ón para las absorbancias antes mencionad mencionadas. as. El factor de concentración está directamente relacionada con el medio ángulo del cono de iluminación como se mencionó anteriorment anteriormente. e. Tanto el filtro Rugate y rejilla de difracción demuestran una mejora significativa en el límite de Lambert. Esto se convierte en más pronunciado a concentraciones más bajas. Cabe señalar que los factores de concentración actualmente empleados en los sistemas prácticos rara vez superan los 1.000x. Se ha demostrado que, tanto para el filtro Rugate y esquemas de rejilla de difracción cara frontal, el límite superior de la longitud dela trayectoria media geométrica es igual a su límite termodinámico. Por lo tanto, para absorbancias bajas, donde la longitud media camino es el factor dominante, los límites de ambos esquemas son similares. La diferencia esencial es que aunque ambos componentes son capaces de actuar como un selector de ángulo en la superficie frontal, sólo la rejilla de difracción difracción tiene la capacidad de controlar las trayectorias de los rayos de luz dentro el sustrato celular. Finalmente, aunque se ha demostrado que la rejilla de difracción tiene el límite más alto de los dos esquemas, esto no implica necesariamente que se va a lograr la captura mejor la luz en la práctica. Las limitaciones impuestas a la rejilla para lograr la máxima absorción pues depende además de otras cosas pero mejora considerablemente considerablemente la eficiencia.

 

REJILLAS BI-PERIÓDICAS Como vimos las rejillas de difracción mejoraron considerablemente la absorción que las dispersiones Lambertianas y ahora se verá que con las rejillas pero bi-periódicas son capaces de mejorar mucho más la absorción que las rejillas uni-periódicas ya mencionadas estas pueden ser fabricadas por nanoescala utilizando utilizando técnicas lilitográficas tográficas para que puedan ser fabricadas con un óptimo rrendimiento endimiento,, Las rejillas consisten en matrices hexagonales de torres elípticas y pozos grabados directamente en el sustrato de la célula solar. Los estudios se hacen de la mejora de la absorción en una célula solar de banda intermedia de puntos cuánticos (QD-IBSC) (QD-IBSC ) y en célula solar de silici silicio o cristalino fino ((SSC) SSC) se compara compara dispersiones Lambertianas Lambertianas. . una célula  

con las

Estructuras de las células solares (QD-IBSC) y (SSC) La estructura básica de ambos tipos de células de rejilla equipada se muestra en la Figura La rejilla de difracción, se graba directamente en la superficie posterior de la oblea de semiconductor y está encerrado en un revestimiento transparente El índice de refracción del material de revestimiento se toma como nca = 1.52 .52 que corresponde aproximadamente a SiO   (óxido de silicio) también se adjunta un reflector perfecto plano en la parte posterior del material de revestimiento.

 

Diseño de las rejillas bi-periódicas 

Las rejillas rejillas consisten en matrices bi-periódicas hexagonales de pozos binarios elípticas y ttorres orres grabadas directamente en el sustrato de célula. Los perfiles de pozo y torre se muestran en la siguiente figura Para ambos tipos de celdas, la optimización está hecha de cuatro claves parámetros: el período de rejilla Λ , la profundidad del pozo (altura de la torre) d y los radios de los pozos a lo largo de los ejes x e y: r   y ry   , respectivament respectivamente, e, Cada parámetro parámetro se anali analiza za sucesiv sucesivamente amente y se rrealiza ealiza una comparación de los parámetros parámetros optimizados para cada cada tipo de célula que permite en general su dis diseño. eño.

 

  RESULTADOS: Células solares (QD-IBSC) Corriente foto generada  ℎ − en un QD-IBSC equipado con rejillas optimizadas (curva azul) .Para la comparación, se muestra el

  − para la misma celda

equipada con un reflector posterior Lambertiano ideal (curva roja) y con un reflector trasero lano curva

Células solares (SSC) Corriente foto generada   en un SSC con las rejillas optimizadas (curva azul) .Para la comparación, se muestra el   − para la misma celda equipada con un reflector posterior Lambertiano idealmente (curva roja) y con un reflector trasero plano (curva negra).

3.2 SENSORES DE FIBRA ÓPTICA TIPO REDES DE BRAGGS Una fibra óptica está compuesta por tres elementos principales: el núcleo, el revestimiento y la capa protectora. El revestimiento refleja la onda de luz de regreso al núcleo, asegurando la transmisión de la luz en el núcleo. Esta acción es posible debido a un índice refractivo más alto en el núcleo con relación al revestimiento, lo que provoca una total reflexión interna de luz. La capa protectora sirve para proteger la fibra de condicion condiciones es externas y daños físicos. Por lo general están formadas por un núcleo de vidrio entre 10 y 100µm, una corteza de vidrio óptico de hasta 125µm y uno o dos revestimientos de plásticos (acrílicos, polimidas) y metales como cobre u oro, dependiendo dependiend o el material en que van a ser integrados.

 

  La tecnología de sensores de fibra óptica utiliza este material como elemento sensor o como medio de transmisión de señales desde un sensor remoto hacia un dispositivo electrónico que las procesa. Un sensor de fibra óptica funciona al modular una o más propiedades de una onda de propagación de luz, incluyendo intensidad, fase, polarización y frecuencia, en respuesta a la variable física que se mide. Los sensores de fibra óptica FBG se manufacturan aprovechando la tecnología actual existente en la industria de la fibra óptica para grado de telecomunicacion telecomunicaciones, es, por medio de técnicas de exposición exposición.. Dos configuraciones típicas consisten en exponer una pequeña porción de la fibra óptica a dos rayos de luz ultravioleta (UV) que o ununa hazpequeña de luz UV enfocado periódica a través de máscara de fase. Esta Esto crea en el núcleo de interfieren la fibra óptica modulación deluna índice de refracción. alternación del índice refractivo de la fibra es permanente, dada la intensidad de luz a la que es expuesto. A la variación periódica que resulta en el índice refractivo se le llama fiber Bragg grating(FBG). Por lo general general un sensor ó óptico ptico FBGs se compon compone e normalmente de cuatro elem elementos entos fundamentales: una fuente óptica, un detector óptico, un sistema de procesamiento de la señal óptica recibida y un transductor que es capaz de realizar las funciones ya antes mencionadas. Los bloques básicos de un sensor se pueden observar en la siguiente figura:

Debido a la naturaleza periódica de la perturbación creada del índice refractivo, solo algunas frecuencias ópticas discretas resonarán en la estructura. Por lo tanto, cuando haces de luz de amplio espectro se envían por el núcleo del sensor de fibra óptica FBG, la energía incidente en la rejilla creada a una frecuencia resonante específica será reflejada de vuelta por la fibra óptica, dejando pasar sin ser afectado el resto del espectro óptico. La longitud de onda central de esta condición de resonancia en el sensor de fibra f ibra óptica FBG puede expresarse como:

λ B = 2 . nff . Λ  Dónde:

λ B : La longitud de onda Bragg nff  : Índice refractivo efectivo del núcleo de la fibra Λ: Periodo de la modulación del índice refractivo o separación entre rejillas. La siguiente figura muestra en forma esquemática las características de transmisión y reflexión en los sensores de fibra óptica FBG. Debido a que la longitud de onda Bragg ( λ B ) es una función de la separación entre las rejillas, los sensores de fibra óptica FBG se pueden fabricar con varias longitudes de onda Bragg, lo que permite a diferentes sensores FBG reflejar longitudes de onda de luz específicas.

 

  Nótese que cualquier cambio en la periodicidad de la modulación del índice refractivo o la distancia de separación entre las rejillas cambiará la longitud de onda Bragg ( λ B ). En consecuencia, cualquier temperatura o efecto de esfuerzo inducido (strain) en el sensor FBG podrán ser determinados por el correspondiente desplazamiento en la longitud de onda central Bragg reflejada. El cambio en la longitud de onda λ B  debido a un esfuerzo (strain) sobre el sensor de fibra óptica FBG y la temperatura está dado por:

(∆λ B )   = (1  p  )  ).ε .ε + (α + α)∆T  λ B ∆λ B   : El cambio de lla a longitud de onda Bragg

λ B : La longitud de onda Bragg inicial p : Constante foto-eslástica efectiva para la fibra óptica ∆L

ε= L : Esfuerzo (strain) sobre la longitud del sensor FBG

α  : Coeficiente de expansión térmica. Cambio en índice refractivo por ΔT.   α : Coeficiente óptico térmico. Describe la expansión de la rejilla por ΔT.  ∆T: Cambio de temperatura. El primer término de la expresión, (1-p)ε describe el cambio que ocur re re en la longitud de onda Bragg debido a la aplicación de un esfuerzo (strain) ya sea de tensión, compresión, flexión o torsión. El segundo término describe el impacto debido a la temperatura en el cambio de longitud de onda. Un sistema de sensores de fibra óptica FBG se compone al menos de: • Fuente y detector de luz.  • Elementos sensores de fibra óptica FBG.   • Fibra óptica y accesorios para la interconexión de la fibra. 

El principio del funcionamiento del sistema óptico consiste en que los elementos sensores de fibra óptica FBG modulan algún parámetro de la señal enviada desde la fuente de luz (intensidad, longitud de onda, polarización, fase), lo cual da lugar a un cambio en las características de la señal óptica recibida en el detector de luz.

 

  La fuente y el detector de luz del sistema se incorporan en un equipo denominado Interrogador Óptico. Los métodos de interrogación óptica pueden categorizarse como: Multiplexación por División de Longitud de onda (WDM, siglas en inglés de Wavelength Division Multiplexing) y Multiplexación por División de Tiempo (TDM, siglas en inglés de Time Division Multiplexing). Algunas alternativas tecnológicas para clasificar los interrogadores para sistemas de sensores de fibra óptica FBG son las siguientes: • Fuente de Amplio Espectro, arreglo de Diodo (WDM) • Espectrómetro Multiplexado por División de Tiempo (TDM)   • Reflectómetro óptico en Dominio de frecuencia (OFDR–WDM) • Reflectómetro óptico en Dominio de tiempo (OTDR–TDM)

Wa velength th Laser). • Laser Barrido de Longitud de onda (WDM– Swept Waveleng Hoy en día, los más populares interrogadores ópticos WDM son los que utilizan láser de barrido rápido como una fuente de luz en vez de una fuente de amplio espectro. Las ventajas son un mayor alcance (debido a la fuente de energía más alta), una mayor capacidad de sensores (debido a rangos de longitud de onda más amplios de 50 a 100 nm) y la posibilidad de interrogar simultáneamente múltiples fibras, cada una con docenas de sensores. Dichos interrogadores ópticos nos han servido mucho para determinar con precisión el sistema de medidas que puede identificar todos nuestros parámetros físicos, también hemos visto cómo funciona este sensor y que depende mucho de las variaciones que se puedan dar en la ttemperatura emperatura,, tensión etc.

RESULTADOS  Aun con todo el progreso que ha tenido el desarrol desarrollo lo de los sensores ópticos a base de redes de Braggs, el comportamiento comportamiento de este a largo plazo es crucial en el ámbito del sensado sensado ya que a lo largo del tiempo de vida de u un n sensor que usualmente es 25 años este pued puede e disminuir reflectivida reflectividad, d, alterando el sistema de interrogación, y en el peor de los casos dando paso a un fallo total del sistema de medición, sin embargo e mbargo se espera que los estudios e investigaciones venideros puedan dar a conocer soluciones eficaces.

3.3 DIFRACCION DE RAYOS X   Antecedentes

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Los Rayos X se descubrieron en 1895 por el físico alemán Röntgen y recibieron ese nombre porque se desconocía su naturaleza en ese momento. A diferencia de la luz ordinaria, esa radiación era invisible pero viajaba en linea recta y ennegrecía las películas fotográficas de manera similar a como lo hacía la luz. Sin embargo, esa radiación era mucho más penetrante que la luz y podía atravesar el cuerpo humano, la madera, piezas delgadas de metal, etc. Esta propiedad encontró inmediatamente aplicación aplicación en la obtención de radiografías: las porciones menos densas de un material dejan pasar la radiación X en mayor proporción que las más densas: de esta forma es posible localizar la posición de una fractura en un hueso o una u na grieta en una pieza metálica. En 1912 se estableció de manera precisa la naturaleza de los rayos X. En ese año se descubrió la difracción de rayos x en cristales y este descubrimiento probó la naturaleza de los rayos X y proporcionó un nuevo método para investigar la estructura de la materia de manera simultánea.

 

    DRX teóricament teóricamente e



La técnica de Difracción de Rayos X o DRX es un método utilizado principalmente para detectar la presencia de distintas fases cristalinas presentes en una muestra y otros rasgos microestructurales. La técnica consiste en bombardear la muestra a estudiar co n un haz de rayos x de longitud de onda λ, variando el ángulo de incidencia de los rayos en la muestra, θ. Un esquema del funcionamiento de un difractómetro de método de polvos es presentado en la figura: f igura:

El principio básico de funcionamiento de esta técnica consiste en que los rayos x son difractados de manera constructiva por la estructura estructura de la muestra si es que se cumple la ley de bragg.

Donde: n es un entero λ es la longitud de onda d es la distancia interplanar de la estructura de la muestra θ el ángulo de incidencia de los rayos x  

Figura 2

Los rayos difractados interfieren constructivamente (tal como lo muestra la figura 2), el receptor del difractometro capta peakcada energético. El cristalina. conjunto de peaks por es conocido como diagrama de difracción, y es únicounpara estructura De estos esta forma, comparación con diagramas tabulados se puede determinar las fases cristalina cristalinass presentes en la muestra.

 

   Además de las faces presentes el análisis DRX permite conocer otros rasgos microestruc microestructurales, turales, tales como tamaño de cristalita, microdeformaciones, fallas de apilamiento, densidad de dislocaciones y otros defectos cristalinos. Tal como se muestra en la figura 3, los distintos defectos cristalinos contribuyen al ensanchamiento y corrimiento al peak de difracción. Si se logra determinar el aporte de cada efecto por separado se puede lograr caracterizar y cuantificar cada uno de los defectos involucrados.

  Funcionamient Funcionamiento o del difractometro

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Un difractómetro Philips modelo X’Pert tiene la configuración Bragg -Brentano. Los principales componentes son el tubo de rayos x con ánodo de cobre, con un sistema cerrado de enfriamiento (agua), rejillas, monocromador y el detector. El detector contiene xenón; este tipo de gas es adecuado para detectar la radiación de longitud de onda Cu Ká o longitud de onda larga. Los rayos x se generan en el tubo, que es una ampolla al vacío que alberga al electrodo positivo (ánodo) y el negativo (cátodo). El cátodo contiene un filamento de tungsteno por donde viajan los electrones, producidos por una diferencia de potencial de 45,000 voltios, que chocan con el blanco de cobre (puede ser de Mo, Fe, Co, etc.). Los electrones que chocan con el blanco producen los rayos x de fondo que atraviesan por una ventana de berilio que, debido a su bajo número atómico, permite el paso de los rayos x (figura 1b). La información que se obtiene a partir de los difractogramas permite determinar el sistema cristalino al que pertenece el compuesto así como los parámetros de celda, es decir, la unidad mínima con que se organiza un cristal. Con las intensidades de las reflexiones es posible determinar la distribución de los átomos dentro de la celda (análisis estructural). La geometría de los perfiles en los “picos” o máximos de difracción, permite determinar el tamaño de los cristales.

 

 

USOS DE LA DRX EN SISTEMAS NANOMÉTRICOS Una de las aplicacio aplicaciones nes de la DRX en las nanociencia nanocienciass consiste en determinar las estructuras de nuevos compuestos a partir de sus patrones de difracción (Petrick-Casagrande y Castillo-Blanco, 2005) para posteriormente asociar la estructura del compuesto con sus propiedades. Otra aplicación rutinaria es la de identificar la composición de una muestra con base en su estructura cristalina. Esto es común cuando se quiere preparar un compuesto que ya se conoce pero utilizando métodos nuevos, ya sea porque son más baratos, de o menos tóxicos. La identificación hace a que partiresdel perfiluna (o patrón) de difracción de mayor rayos xrendimiento característico para cada compuesto natural ose sintético, como huella digital. Los materiales se identifican en la base de datos del International Centre for Diffraction Data (ICDD, 2010) que reporta las condiciones del análisis así como los perfiles de difracción de polvos, las distancias interplanares, las intensidades relativas y los índices de Miller, entre otros. Una de las contribucioness de la DRX a la identificación de un compuesto al realizar una síntesis nueva fue durante la contribucione preparación de nanotubos de carbono (NTC) cuyo catalizador era fibra de acero utilizada para lavar platos y que empleaba benceno como fuente de carbono (Koch, 2007). En este caso, los investigadores se auxiliaron de la DRX para confirmar que estaban obteniendo NTC, ya que en esta síntesis, justo por ser nueva, existía la posibilidad de obtener carbono amorfo (estructura sin orden) y otros compuestos de fierro como impurezas. En los difractogramas que se obtuvieron de muestras colectadas en tres puntos diferentes del reactor, se detectó que aparecieron reflexiones reflexiones características de grafito (marcadas con un rombo en la figura ) que forma las estructuras de NTC. En este caso, la DRX les dio a los investiga investigadores, dores, de manera rápida, indicios de la formación de NTC que posteriormente fue corroborada con imágenes de microscopía electrónica de transmisión. Otra información que dio el difractograma fue que junto con la formación del grafito, también hubo impurezas de fierro y carburo de fierro en poca cantidad. Esto se sabe porque las reflexiones que corresponden a estos compuestos (su huella digital) fueron de baja intensidad.

 

DRX EN LA ARQUEOLOGÍA El método se usó en el análisis de las cerámicas de Vaquerias de Argentina, para analizar la composición y la identificación de los pigmentos utilizados para pintar en su superficie. La técnica de difracción de rayos X (DRX) fue utilizada para la identificación de las fases cristalinas presentes en las muestras. La adquisición de los datos se realizó en el rango de 10°