La diferencia entre guías de onda y fibras ópticas

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Abstract

Esta práctica consiste en mostrar la diferencia entre guías de onda y fibras ópticas. En el primer experimento se usa agua y un láser para observar y verificar que en el instante en el cuál a un recipiente perforado al que se le deja salir un chorro de agua, este debe atravesar el recipiente y llegando al hueco, debe de continuar por la trayectoria del agua. Mientras que, en el siguiente experimento, por medio de una sonda se va a comprobar que al llegar luz al extremo de una sonda, esta va a transmitir esa luz en su extremo contrario con muy pocas pérdidas. Finalmente, se realizará un experimento similar con la diferencia de que se utilizarán microondas y una bolsa de granitos de tal forma que las ondas “viajen” por esta bolsa, mostrando lo que es una guía de onda.

Marco Teórico

Debido a efectos difractivos, los haces de luz van incrementando su sección transversal a medida que viajan en el espacio libre. Estos efectos pueden corregirse mediante lentes.

La alternativa a esto es el empleo de conductos dieléctricos que confinan la luz y permiten que viaje por grandes distancias con pérdidas mínimas.

Las guías de onda se basan en el confinamiento de la luz, efecto que se logra mediante el uso de dos medios con índice de refracción diferente. El medio con índice de refracción menor (núcleo) se embebe en el medio con índice de refracción mayor (revestimiento o cubierta); la luz queda confinada en medio del núcleo debido a la reflexión total interna. La geometría de las guías de onda puede ser plana (slab, strip) o cilíndrica, siendo esta última la más utilizada (fibras ópticas).

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Ilustración 1. Tipos de guías de onda. De izquierda a derecha: slab, strip y cilíndrica.

La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que transporta información en señales digitales en forma de pulsos de luz. Podría decirse que la fibra óptica está blindada de nacimiento pues su tecnología no permite que haya robo de información ya que los datos se transmiten con impulsos no eléctricos. Está compuesta por dos cilindros concéntricos de materiales diferentes; la condición fundamental para que la fibra confine la luz es que el índice del material del cilindro interior (llamado núcleo) tenga un índice de refracción mayor al del cilindro exterior (llamado revestimiento).

Objetivo

1. Conocer las precauciones que requiere el uso del láser y de la sonda del fotómetro.
2. Observar el efecto de encauzamiento de ondas electromagnéticas, y clasificar los conductores utilizados como “guías de ondas” o “fibras ópticas”.

Material

Láser de He – Ne de 0.5 [mW]

Recipiente transparente con orificio de 3.175 [mm] (1/8 de pulgada), cercano a su base

Banco óptico

Transportador angular

Sonda del fotómetro

Emisor de microondas de 10.525 [GHz]

Receptor de microondas de 10.525 [GHz]

Goniómetro con su riel portacomponentes

Bolsa de granitos de estireno

Calibrador con Vernier

Eliminador de baterías

Desarrollo y Observaciones

Experimento I. Guías de luz

I.1 Llenamos con agua un recipiente cilíndrico transparente y armamos el dispositivo experimental de la figura 1. Utilizamos una tabla para nivelar el láser con el orificio del recipiente.

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Figura 1. Primer dispositivo experimental

I.2 Al utilizar el láser tuvimos las siguientes precauciones:

a) Nunca mirar directamente el haz luminoso del láser, ni sus reflexiones en espejos o superficies metálicas.

b) Colocar el láser tal, que se evite cualquier posibilidad de contacto visual accidental con el haz luminoso por parte de los integrantes de la propia brigada de trabajo o de los miembros de otras brigadas.

c) Apagar el láser antes de moverlo hacia otro dispositivo experimental.

I.3 Encendimos el láser, dirigimos el haz luminoso al orificio de salida del recipiente como se muestra en la figura 1 y observamos como el chorro de agua guiaba a la luz.

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Ilustración 2. Experimentación en el laboratorio.

Actividad 1.

I.4 Montamos en el banco óptico el dispositivo que se muestra en la figura 1.1, tomando en consideración las recomendaciones que se hacen en los incisos 1.5 y 1.6 siguientes.

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 Figura 1.1. Segundo sistema experimental

I.5 La sonda del fotómetro es un instrumento que requiere cuidado especial. No debe flexionarse con un radio menor de 5[cm] en ningún punto, ni flexionarse en lo absoluto dentro de 7.5[cm] a partir de cualquiera de sus extremos. Evite raspar o manchar los extremos de la sonda.

I.6 Para fijar la sonda al portaanalizadores del brazo móvil del transportador angular, afloje el tornillo ubicado en la parte posterior de éste, introduzca la sonda suavemente y luego apriete el tornillo ligeramente. Una presión excesiva podría dañar la sonda.

I.7 Encendimos el láser y dirigimos el haz al extremo fijo de la sonda, apuntamos el extremo libre de ésta hacia una hoja de papel para observar la luz transmitida por la sonda.

I.8 Apagamos el láser, desmontamos la sonda y observamos con cuidado sus extremos. Estimamos el diámetro de una de las fibrillas. Para ello, medimos el diámetro externo de la sonda con el calibrador con vernier, determinamos el espesor (e) aproximado del revestimiento de plástico, deducimos el diámetro interno de la sonda y contamos el número de fibrillas que componía a nuestra sonda. Para lograr esto, tomamos una foto con el celular y aplicamos un zoom para facilitarle a nuestra vista el reconocimiento de cada fibrilla y no perder tan fácilmente la cuenta de éstas.

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