FIGURA 2. Esquema general del sistema de iluminación de fibra óptica con iluminación lateral y axial.
A) Fuente de iluminación; B) mecanismo de acoplamiento; y C) fibra óptica formada por un núcleo transparente y un revestimiento con sustancia fluorescente.
Ya que una fibra óptica nos permite transportar la luz generada por una fuente luminosa, la podemos utilizar para iluminar un espacio alejado de dicha fuente y generar un sistema de iluminación con características especiales. En particular, los sistemas de iluminación con fibra óptica se caracterizan por no disipar energía, no conducir electricidad ni producir gases. Pero, como comentamos ya, estos sistemas requieren de una fuente de iluminación, la cual puede requerir electricidad o la combustión de algún gas para generar tanto luz como calor; sin embargo, tal fuente puede ubicarse en un punto alejado del lugar que se desea iluminar; en estos casos, la luz de la fuente se acopla a la fibra óptica y ésta la transmite a través de ella hasta el lugar deseado sin transportar el calor generado por la fuente o la electricidad empleada para producir luz (figura 2). Por esto, es imposible que la fibra genere una chispa o una descarga eléctrica; por tanto, se ha difundido su uso para iluminar el interior de piscinas o lugares de trabajo en donde exista una posible mezcla del aire con sustancias inflamables en forma de gases, vapores, nieblas o polvos. Debido a estas razones y su versatilidad, las fibras ópticas atraen cada vez más la atención de los diseñadores de iluminación para crear nuevos proyectos de lámparas, tableros de información y textiles luminiscentes.2, 3, 4 Hoy en día, es posible encontrar algunos de estos productos en nuestro mercado nacional, como los árboles de Navidad —iluminados a través de fibras ópticas— y el alumbrado de interiores de automóviles, tales como iluminación ambiental, alumbrado para la orientación y localización, luz para lectura, señalización de las puertas y soportes con iluminación para bebidas, teléfonos, etcétera.5
Iluminando a través
de fibras ópticas?
Iluminando a través
de fibras ópticas?
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Una fibra óptica es un medio a través del cual se puede transmitir de un punto a otro la luz proveniente de una fuente de iluminación. Conviene aclarar que ésta no es una fuente de iluminación —pues no produce luz por sí misma—, como lo hace un foco incandescente, una lámpara fluorescente o un LED de los que usamos para iluminar normalmente nuestros hogares u oficinas.
Un ejemplo que nos permite resaltar su utilidad es el siguiente: podemos comparar la fibra óptica con una manguera para regar, por ejemplo, un jardín; en este caso, el agua que corre por el interior de la manguera se desempeña como la luz, y la fuente de iluminación sería la llave de agua.
En este ejemplo, la manguera nos ayuda a dirigir y transmitir el flujo de agua desde la llave hasta nuestro jardín y confina el flujo de agua que viaja por su interior; es posible que se manche, se doble ligeramente o pase por debajo de una superficie sin alterar apreciablemente el flujo de agua que corre dentro de ella, pero, ciertamente, con la manguera podemos transportar el agua de un extremo a otro (riego axial) o, incluso, hacer pequeños agujeros a lo largo de ésta para que el agua emane por cada uno de ellos y tengamos un riego lateral. Como podemos ver, la llave, el adaptador que la une a la toma de agua y la propia manguera forman, en esencia, un sistema de riego, de la misma forma que una fuente de iluminación; así, una lente para acoplar la luz dentro de la fibra óptica y la fibra óptica misma, forman lo que conocemos como un sistema de iluminación con fibra óptica. FIGURA 1. Fibra óptica. Dibujo de una fibra óptica básica, mostrando el núcleo, revestimiento, protección plástica y la trayectoria de la luz por el interior de ella.
Las fibras ópticas pueden fabricarse de vidrio o plástico, o ser una combinación de ambos materiales; las primeras presentan una transparencia mil veces mayor que las de plástico; y estas últimas son, aproximadamente, cien veces más transparentes que el vidrio ordinario de una ventana, lo cual significa que, si el agua de mar fuera tan trasparente como las fibras ópticas de vidrio, podríamos ver sin dificultad el fondo del océano. Es esta propiedad la que nos permite enviar un haz luminoso a través de fibras ópticas de vidrio a unos 100 km de distancia, con la intensidad adecuada para ser detectada por un sistema convencional.
Dado que el vidrio es un material quebradizo, el diámetro de una de sus fibras no rebasa el par de décimas de milímetro, por lo que se ha convertido en el diámetro común en las fibras para telecomunicaciones de 0.125 mm (semejante al de un cabello humano), de lo contrario, las fibras de plástico pueden tener diámetros tan pequeños como las de vidrio, pero también las hay de hasta 5 mm, más flexibles.
Aunque no hay límites para la longitud de una fibra, desde un punto de vista comercial, ésta se establece en función de su manipulación y aplicación. Por ejemplo, se puede obtener carretes de 25 o 50 km para aplicaciones en telecomunicaciones, en las que se emplea las fibras ópticas para transmitir una señal que —codificada mediante variaciones de la intensidad de luz— puede ser enviada a distancias separadas por cientos y hasta miles de kilómetros. En este caso, las fibras disponibles deben unirse una tras otra, o ser conectadas a equipos de regeneración de las señales transmitidas. Por otro lado, su aplicación en el desarrollo de sensores ópticos —dispositivos en los cuales la luz que se propaga dentro de la fibra óptica es proclive a ser modificada por perturbaciones externas—1 requiere longitudes comparativamente pequeñas, pudiendo llegar a ser de pocos centímetros.
Una aplicación para las fibras ópticas se orienta a la iluminación de espacios lejanos de su fuente de iluminación, así como la que tiene botones de control o señalización e, incluso, las de carácter estético o publicitario.
Aunque en la mayoría de las aplicaciones en iluminación se emplea el esquema axial —es decir, el que se obtiene de la fibra después de haber inyectado la luz requerida en el otro extremo—, recientemente, se ha propuesto la posibilidad de aplicaciones en las que se emplea la iluminación lateral (figura 2). En este caso, se suele modificar las fibras convencionales para que la luz inyectada en uno de sus extremos tenga medios de salida a lo largo de su trayecto hacia el otro extremo. FIGURA 3. Diagrama de las etapas del método propuesto de fabricación de fibras ópticas de plástico dopadas con material fluorescente. FIGURA 4. A) Fotografía de la preforma tomada después del proceso de estiramiento de la fibra. B) Amplificación de una de las zonas de la superficie de la preforma mostrando los defectos. FIGURA 5. Fotografías de la fibra con revestimiento fluorescente excitadas con un láser de 405 nm.
Hoy día, existen diferentes formas de modificar las fibras convencionales para alcanzar dicho objetivo; la mayor parte de esta información puede encontrarse en distintas patentes internacionales.6 Generalmente, tales modificaciones son producidas sobre las fibras fabricadas para un funcionamiento convencional, las cuales, al ser alteradas en su estructura, favorecen el esparcimiento de la luz. En estos esquemas, la luz emitida lateralmente es la inyectada en un extremo; es decir, si utilizamos como fuente de iluminación un LED verde (dispositivo que emite luz de color verde) la fibra emitirá luz verde a través de su superficie y en el extremo de salida.
Los autores de este artículo hemos propuesto un método diferente de fabricación de fibras ópticas para alcanzar dicha emisión lateral, en el cual, se pinta una capa fina de polímero con material fluorescente sobre la superficie de una barra de plástico transparente que recibe el nombre de preforma. Posteriormente, ésta se calienta y se estira hasta obtener un filamento alargado de 0.5 mm de diámetro (figura 3). Lo interesante es que, después de estirar la preforma, ésta presenta una serie de defectos superficiales (figura 4) —producto de la evaporación de solventes remanentes— que se propagan por toda la fibra óptica, favoreciendo la emisión lateral. Un símil con nuestro ejemplo de la manguera de jardín sería un caso en el que el agua saliera por unos orificios creados a lo largo de la manguera y el color del agua que sale por los orificios sería diferente del color del agua que entra en la manguera.
Por sus características, la fibra puede ser empleada en la elaboración de bordados textiles o de anuncios luminosos, incluso, de juguetes, lámparas, adornos e indicadores basados en la emisión luminosa.
Resaltamos dos aspectos importantes de la presente fibra que la hacen diferente de las comerciales: 1) los defectos superficiales son creados durante el proceso de fabricación de la fibra, y 2) el color de la luz emitida por la fibra es una combinación, tanto de la luz proveniente de la fuente de iluminación, como de la luz emitida por el material fluorescente. Debido a estas características, la presente fibra ofrece diversas ventajas que la convierten en una opción viable para el diseño de sistemas de iluminación que requieran la combinación de dos o más colores de luz.
Es Académico Titular B de tiempo completo en la Facultad de Ingeniería, de la Universidad Autónoma de Chihuahua y miembro del SNI (I). Su investigación se centra en la fabricación y caracterización de materiales luminiscentes, principalmente de vidrios y fibras ópticas.
Es investigador de tiempo completo en el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, de la UNAM. Su investigación se enfoca en las propiedades electrónicas de los materiales; incluyendo la óptica no lineal, los láseres de pulsos ultracortos y los materiales relevantes en la trasformación de la energía.
Es Técnico académico titular C de tiempo completo, en el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM. Actualmente, realiza investigaciones sobre la fabricación de fibras ópticas de materiales poliméricos y en sus aplicaciones; además, investiga en torno a la simulación computacional de sistemas moleculares para la determinación de sus propiedades macroscópicas.