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UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE QUERTARO

Nombre del proyecto:

INTERFERMETRO DE HOMODINO

Empresa:

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE QUERTARO

Memoria que como parte de los requisitos para obtener el ttulo de:

TCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRNICA REA

AUTOMATIZACIN

Presenta:

Vargas Snchez Irving De Jess

Asesora de la UTEQ Asesor de la Organizacin

Lic. Mnica Lisseth Len Mallard. Ing. Ral Hernndez Ziga.

Santiago de Quertaro, Qro. Diciembre de 2014

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Resumen

El presente documento contiene informacin para conocer el funcionamiento de

un Interfermetro, as como los temas ms importantes sobre l, mismos que se

presentan con detalle en esta memoria. Este proyecto, muestra el resultado de

lo realizado durante la estada, en el cul se colabor en el proyecto

Interfermetro Homodino. Se muestra cmo fue la construccin y calibracin

del Interfermetro, el primer paso para la construccin de un Lser Tracker,

sus aplicaciones, y utilizacin en la actualidad en industrias que requieran su

presencia para tener un control ms preciso en sus diversos procesos de

mquina herramienta. Se concluye que utilizar un Interfermetro es

considerablemente sencillo, reduce el tiempo de mediciones extremadamente

precisas, cuando se requiere checar el posicionamiento de alguna pieza u objeto.

Adems de que la velocidad y la aceleracin pueden ser derivadas al momento

de interactuar con el Interfermetro.

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Description

I work in my internship project with the enginner Ral Hernndez Ziga at the

CICATA (Research Center Of Science Applied). It is located on the east of

the city, close to the Corregidora stadium. There we build, calibrate and measure

the Interferometer to acommplish the proyect. The research center is a nice and

big place where are master students of differents majors. They have a strict

security to acces at the research center; The maintenance staff is in charge of

keeping the classroms and laboratorios tidy and clean. Ral Hernndez is a

serious person, but is considerate. He is short and has gray hair and brown eyes

and he wears glasess. Hes intelligent, he has good sense of humor and is fun. I

like to work with him.

Vargas Snchez Irving De Jess.

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Dedicatorias

El siguiente reporte, lo dedicar completamente a mi familia, ya que sin ese

infinito apoyo que me han brindado a lo largo de mi vida, no estara aqu, en ste

de muchos escalones que tiene la vida. Gracias a mis padres y a mis hermanos;

todo se lo debo a ellos.

Lo dedicado tambin a mis amigos del alma, los que me apoyaron moralmente y

sentimentalmente en las buenas y malas, ellos saben a quines me refiero, as

que, este logro es dedicado a cada persona especial en mi vida.

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Agradecimientos

Primeramente quiero agradecerle a mi familia, por todo el apoyo y esfuerzos que

hemos pasado, no solo fui yo, sino todos nosotros, porque no estara en este

momento sin el cario de mi familia y sin sus sueos para ver cmo me supero.

Quiero agradecer a mis amigos, por su apoyo, confianza, y por su amistad que me

brindaron toda esta etapa de mi vida, especialmente agradezco a las siguientes

personas por todas las cosas que he pasado con ellas:

Mis mejores amigos de la vida, Sal, Bruno, Manuel y Lule, son y sern mis

hermanos, algo que no disfrut de pequeo.

Mis otros hermanos, Ray, Kuko, Isrra e Ithiel y mis otros paps, mi segunda

familia, no tengo palabras para describir todo el gran apoyo y amistad que me han

brindado, as que, son otro nivel.

A esta personita le debo muchas cosas, casi mi vida, porque ella lleg a m en el

momento perfecto en el que ms necesitaba de alguien, cuando estaba a punto de

caer, ella estuvo a mi lado, y nunca me abandon, y lo sigue haciendo ahora, te lo

agradezco Lorena; por ser mi mejor amiga.

Y por ltimo otra persona que me apoy emocional y sentimentalmente, Itzyana,

gracias por todas esas palabras que me brindaste, en verdad, por ese apoyo, por

confiar en m, y compartir tu historia conmigo, eso lo aprecio mucho, y eres mi

ejemplo a seguir, a pesar de las circunstancias, no pierdes la fe de nada, gracias.

6

ndice Pginas

Resumen ...................................................................................................................................... 2

Description .................................................................................................................................. 3

Dedicatorias ................................................................................................................................ 4

Agradecimientos ....................................................................................................................... 5

ndice ............................................................................................................................................ 6

I. Introduccin .......................................................................................................................... 8

II. Antecedentes ..................................................................................................................... 10

III. Justificacin ..................................................................................................................... 11

IV. Objetivos ........................................................................................................................... 12

V. Alcance ............................................................................................................................... 13

5.1 Ensamble del interfermetro .............................................................................. 13

5.2 Calibracin del interfermetro ............................................................................ 13

5.3 Ensamble de los circuitos acondicionadores de seal ....................................... 14

5.4 Medicin de seales elctricas .......................................................................... 14

VI. Anlisis de riesgo ........................................................................................................... 15

VII. Fundamentacin terica .............................................................................................. 16

7.1 Historia .............................................................................................................. 16

7.1.1 Interfermetros ......................................................................................................... 16

7.2 Qu es la interferometra? ............................................................................... 17

7.2.1 Dnde se utiliza la interferometra Lser? ........................................................ 18

7.2.2 Aplicacin de la interferometra ............................................................................. 19

7.2.3 Longitud de onda ..................................................................................................... 20

7.3 Interfermetro de Michelson ............................................................................ 21

7.3.1 Quin fue Albert Abraham Michelson? .......................................................... 23

7.3.2 Cmo se emplea el interfermetro de Michelson ............................................... 24

7.4 Diodo Lser ...................................................................................................... 27

7.4.1 Historia ...................................................................................................................... 31

7.4.2 Funcionamiento ...................................................................................................... 33

ndice

7

7.4.3 Ventajas y desventajas del diodo Lser .............................................................. 35

7.5 Deteccin directa y deteccin coherente ............................................................ 36

7.6 Polarizacin de la luz ......................................................................................... 37

7.6.1 Luz linealmente polarizada .................................................................................... 39

7.7 Lminas Retardadoras de onda ......................................................................... 40

VIII. Plan de actividades ...................................................................................................... 43

IX. Desarrollo del proyecto ................................................................................................. 44

9.1 ETAPA 1 FUENTE DE ALIMENTACIN ..................................................... 44

9.2 ETAPA 2 POSICIN DEL LSER ............................................................... 45

9.3 ETAPA 3 ESTRUCTURA FINAL DEL INTERFERMETRO........................ 47

9.4 ETAPA 4 DIVIDIR EL HAZ DEL LSER EN 2 CAMINOS PTICOS ........... 48

9.5 ETAPA 5 AJUSTANDO EL SISTEMA PTICO ........................................... 49

9.6 ETAPA 6 BIFURCACIN DE CAMINOS PTICOS (MXIMA Y MNIMA

INTENSIDAD) ........................................................................................................ 51

9.7 ETAPA 7 ACONDICIONAMIENTO .............................................................. 53

9.8 ETAPA 8 MEDICIN DE SEALES ............................................................. 54

X. Resultados obtenidos ..................................................................................................... 56

XI. Conclusiones y recomendaciones ............................................................................. 58

XII. Anexos

XIII. Bibliografa

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I. Introduccin

La Universidad Tecnolgica de Quertaro cuenta con el modelo educativo 70/30,

donde el 70% es prctico y el 30% terico. De tal manera que permita al alumno

desarrollar sus capacidades prcticas.

Dentro del 70% prctico es cuando el alumno pasa por el proceso de estada es

decir, que tiene que laborar en una empresa o estar involucrado en un proyecto

por parte de los profesores de la carrera, durante un periodo de 12 a 15 semanas.

As que, en la Divisin de Tecnologas de Automatizacin e Informacin, los

profesores se preparan para contar con experiencia prctica y tcnica, y de

acuerdo al programa que imparten como en la ingeniera, deben contar con el

grado de maestra para impartir clases. ste es el caso del Ing. Ral Hernndez

Ziga, quin para obtener el grado de maestra en Ciencia Aplicada y

Tecnologa Avanzada, especialidad rea de control de automatizacin, se

propuso realizar el proyecto: Interfermetro De Homodino que consistir en

una fuente lser divergente que al encontrarse con ptica especializada, es

separada en dos frentes de onda idnticos, propagndose en direcciones

perpendiculares. Dicho Interfermetro se utiliza para determinar distancias y

longitudes de onda.

Adems de los beneficios mencionados, a su vez esta colaboracin en el

desarrollo del Interfermetro de Michelson tambin contribuir a que los

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conocimientos obtenidos como estudiante en la carrera de Mecatrnica se

pongan en prctica para el desarrollo del proyecto y con l, obtener el ttulo de

TSU.

Por lo que este documento, est dividido en 13 captulos, los cuales le servirn

al lector, para una mayor comprensin sobre el funcionamiento del

Interfermetro de Homodino, ya que se comienza de los conceptos ms

relevantes acerca de la construccin y calibracin de un Interfermetro. Contando

con el porqu se decidi llegar a la construccin del dicho proyecto, justificando

cada paso con la realizacin del mismo; por medio de diversas actividades donde

se obtienen los resultados finales y as concluir con el proyecto de estada.

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II. Antecedentes

EL proyecto Interfermetro Lser tiene la finalidad de medir desplazamientos

de objetos en mltiplos de la longitud de onda del rojo visible (650nm). EL

interfermetro es una herramienta muy usada por los laboratorios de metrologa

en la medicin de amplitudes de desplazamientos lineales por efecto de

vibraciones mecnicas, desgaste de elementos mecnicos debido a la friccin,

entre otros.

En los ltimos aos, la verificacin dimensional de gran exactitud, impuestas por

sectores como el de: mquina-herramienta, automotriz, aeronutico,

espacial y naval, ha despertado gran inters en su uso. La necesidad en el pas

de mejorar los mtodos existentes en la verificacin dimensional de piezas, ha

catalizado el desarrollo de nuevos mtodos de medicin, sin contacto de alta

resolucin, como los basados en tecnologa lser.

El Interfermetro de Homodino es un proyecto seleccionado como primer

paso para poder construir un LSER TRACKER, el cual consiste en una

mquina de medicin por coordenadas, y de mediciones tridimensionales con

mediciones directas el cual toca el objeto y envan esas coordenadas a un fichero

de dibujo (Software que visualiza los objetos en formas tridimensionales).

Para poder lograr esa construccin del dicho proyecto, se necesita tener los

conceptos bsicos de un Interfermetro, los cuales se llevarn a cabo para la

realizacin del proyecto.

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III. Justificacin

La realizacin del Interfermetro de Homodino tiene como objetivos poner

en prctica los conocimientos del lser TRACKER, su uso, construccin y

calibracin es de gran utilidad para la industria para tener un control ms preciso

en sus diversos procesos de mquina herramienta.

Se pretende demostrar que son sencillos de utilizar y traern como beneficio que

se reduzca el tiempo de mediciones extremadamente precisas , en cuanto se

requiera checar el posicionamiento de alguna pieza u objeto, adems de la

velocidad y la aceleracin pueden ser derivados al momento de interactuar con

el interfermetro.

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IV. Objetivos

Ensamblar los elementos pticos en la mesa de laboratorio.

Calibrar el Interfermetro.

Construir los circuitos electrnicos.

Hacer mediciones elctricas.

13

V. Alcance

5.1 Ensamble del interfermetro

Se instalarn las bases y los elementos pticos de acuerdo a las instrucciones

dadas, siguiendo la siguiente secuencia:

1. 3 Bases para divisor de haz polarizado.

2. 1 Base para un divisor no polarizado.

3. 2 Bases para lminas retardadoras de longitud de onda.

4. 1 Base para espejo.

5. 4 Bases para sensores.

6. 2 Espejos de cubo.

7. 1 Base mvil para espejo de cubo.

8. 1 Soporte para lser de diodo.

5.2 Calibracin del interfermetro

La calibracin del dispositivo, tiene como finalidad alinear los haces luminosos

derivados del interfermetro, de tal manera que incidan en los sensores

diseados para la medicin de la interferencia ptica. La calibracin consiste en

la alineacin tanto lineal como angular de los elementos descritos en el punto

anterior.

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5.3 Ensamble de los circuitos acondicionadores de seal

Los circuitos electrnicos detectores de los haces luminosos y acondicionadores

de seal, se ensamblarn de acuerdo al diseo, integrando los siguientes

elementos:

1. Diodo PIN (S1223).

2. Amplificador operacional y de trans-impedancia de alta velocidad

(OPA380).

3. Resistencias elctricas y capacitores necesarios.

4. Fabricacin de placas fenlicas.

5.4 Medicin de seales elctricas

Se tomarn mediciones de cada uno de los cuatro sensores que existen en el

interfermetro, as como de las seales ya convertidas en pulsos digitales para

su lectura y medicin en un contador de alta velocidad.

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VI. Anlisis de riesgo

Clase de riesgo

Alto

Medio

Bajo

Tipos de activos Afecta Riesgos Valor Diodo Lser Atraso. No culminar el

proyecto. Dao grave.

Ya que retrasar el trmino del proyecto.

Fallas de hardware. Atraso. Problemas en el armado de los

sistemas pticos.

Dao medio. Mala estructura,

mal diseo, sistema ptico defectuoso.

Visitas a empresas por parte del trabajo

de mi asesor de estada.

Atraso Prolongar ms el trmino del proyecto.

Dao bajo. Retraso en el

Proyecto.

Falla en la placa acondicionadora.

Mal funcionamiento, Atraso.

Componentes mal soldados en la placa que generan problemas en el

funcionamiento del proceso.

Dao alto.

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VII. Fundamentacin terica

7.1 Historia

7.1.1 Interfermetros

Los interfermetros lser son los instrumentos de medicin ms precisos que

existen. Por esta precisin son utilizados como sistemas de medicin de

referencia en la calibracin de mquinas-herramientas. Gracias a su diseo

compacto, los nuevos equipos interferomtricos pueden ser vistos habitualmente

en equipos porttiles en los talleres de mecanizado (ver figura 1). Actualmente

estos sistemas son ms sencillos de utilizar y se reduce considerablemente el

tiempo de medicin gracias a las ayudas de los nuevos softwares y a los nuevos

juegos de elementos pticos. Las nuevas opciones de medicin, particularmente

en lo que se refiere a mediciones dinmicas, abren posibilidades de diagnstico

adicionales en la mquina - herramienta. Por ejemplo, la opcin de medicin

dinmica habilita la posibilidad de registrar y analizar secuencias de movimientos

en unidades de velocidad de avance. Esto le permitir a la interferometra lser

mantener su posicin de equipo de medicin de alta precisin y ser

extremadamente efectivo.

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Interfermetro de Michelson en un taller

Figura 1

7.2 Qu es la interferometra?

La Interferometra es el proceso por el cual se hacen interferir dos

ondas o ms ondas del mismo tipo y se registran sobre el patrn de

interferencia que se produce (Ver figura 2).

Patrn De Interferencia

Figura 2

18

Dos ondas en fase darn lugar a un aumento en la intensidad del patrn de

interferencia, mientras que dos seales en contrafase, se destruirn mostrndose

el patrn como zonas obscuras.

7.2.1 Dnde se utiliza la interferometra Lser?

La interferometra es una tcnica utilizada en astronoma que consiste en

combinar la luz proveniente de diferentes receptores, telescopios o antenas de

radio, para obtener una imagen de mayor resolucin (Ver figura 3). Esta tcnica

se utiliza especialmente en radioastronoma, siendo ms difcil su

implementacin en longitudes de onda ms corta (visible). La principal razn es

la mayor precisin mecnica que se requiere al utilizar longitudes de onda ms

corta.

Ejemplo de interferometra de ondas

Figura 3

19

7.2.2 Aplicacin de la interferometra

Una de ellas es en aplicaciones industriales. Tal es el caso en la deteccin y

medicin de deformaciones de una estructura, que sta al ser expuesta a fuerzas

externas sufre dicha deformacin adems de producir concentraciones de

esfuerzos dentro, y de su superficie (Ver figura 4).

Resultados de la medicin de la fractura

Figura 4

20

7.2.3 Longitud de onda

La longitud de onda (Ver figura 5) es la distancia real que recorre una

perturbacin (una onda) en un determinado intervalo de tiempo. Ese intervalo de

tiempo es el transcurrido entre dos mximos consecutivos de alguna propiedad

fsica de la onda. En el caso de las ondas electromagnticas esa propiedad fsica

(que vara en el tiempo produciendo una perturbacin) puede ser, por

ejemplo, su efecto elctrico (su campo elctrico) el cual, segn avanza la onda,

aumenta hasta un mximo, disminuye hasta anularse, cambia de signo para

hacerse negativo llegando a un mnimo (mximo negativo). Despus, aumenta

hasta anularse, cambia de signo y se hace de nuevo mximo (positivo). Esta

variacin del efecto elctrico en el tiempo, si la representamos en un papel,

obtenemos "crestas" y "valles" (obtenemos una curva sinusoidal) pero la

onda electromagntica no "tiene" crestas y valles.

Longitudes de onda de la luz

Figura 5

21

7.3 Interfermetro de Michelson

El interfermetro de Michelson consiste bsicamente en una fuente de luz

monocromtica divergente (Ver figura 6), la cual, al encontrarse un divisor de

haz, es separada en dos frentes de onda idnticos, propagndose en direcciones

perpendiculares. Estos haces se reflejan en espejos, volvindose a recombinar

tras el divisor de haz (Ver figura 7). Si los espejos estuviesen situados a la misma

distancia del divisor de haz, entonces, despreciando las diferencias debidas al

espesor del espejo, los haces se recombinaran en fase, y no se obtendra ningn

patrn de interferencia.

Para un mismo punto de la pantalla, si se procede a mover un espejo, Dm =

[ 2/(l)] cosqDd, o bien, si se introduce una caja de espesor d con un medio

de ndice de refraccin n entonces, para medir n se puede utilizar la frmula

El interfermetro tambin se utiliza para la comparacin de longitudes de onda

con q 0. Para ello se vara d hasta superponer las franjas de las dos

longitudes de onda y a partir de este punto, se sigue variando d hasta que se

produce la prxima coincidencia, con lo que la siguiente ecuacin nos explicar

mejor.

Dm = 2 l

d cosqks Dn

22

Esquema del interfermetro de Michelson

Figura 6

Sistema de espejos

Figura 7

D( 2 l

) d = N D( 2 l

) d = N +1 Dl l

= l

2 Dd

23

7.3.1 Quin fue Albert Abraham Michelson?

Fsico estadounidense nacido en Alemania (Ver figura 8).

Albert Abraham Michelson. (1852/12/19 - 1931/05/09)

Figura 8

Naci el 19 de Diciembre de 1852 en Strelno (hoy Strzelno, Polonia).

Se traslad a Estado Unidos y curs estudios en la Academia Naval y en las

Universidades de Berln, Heindelberg y Pars. Profesor de fsica en la

Universidad Clark de 1889 a 1892, y desde 1892 hasta 1929, fue director de

departamento de fsica de la Universidad de Chicago.

En 1887 invent el interfermetro, que us en el famoso experimento

del ter realizado junto al qumico estadounidense Edward Williams Morley.

24

El experimento demostr que dos rayos de luz enviados en diferentes direcciones

desde la Tierra se reflejaban a la misma velocidad. De acuerdo con la teora del

ter, los rayos se habran reflejado a velocidades distintas por lo que se determin

que el ter no exista. Los resultados fueron tiles para el desarrollo de la teora

de la relatividad.

En 1907 fue galardonado con el Premio Nobel de Fsica por la creacin de

instrumentos de alta precisin y por la realizacin de importantes investigaciones

con ellos. Fue el primer ciudadano estadounidense en conseguir el premio.

Albert Abraham Michelson falleci en Pasadena el 9 de mayo de 1931.

7.3.2 Cmo se emplea el interfermetro de Michelson

Si se alejan los espejos, entonces las diferencias de camino ptico producir

franjas de interferencia, que dependern tanto de la distancia entre los espejos

como de la longitud de onda de la radiacin utilizada. Por esta razn, el

interfermetro se utiliza tanto para determinar distancias como para determinar

longitudes de onda (Ver figura 9).

25

Esquema de un interfermetro de Michelson

Figura 9

La mejor forma de analizar el interfermetro de Michelson es considerar el

esquema "equivalente", formado por las imgenes que de la fuente luminosa

determinan los espejos, y la alineacin del sistema.

Los puntos F, F son las imgenes que el sistema ptico determina para la

fuente cuando se contempla desde la pantalla, siendo de la diferencia de camino

(de ida y vuelta) entre los dos brazos del interfermetro (Ver figura 10).

26

Distancia de los espejos con la pantalla

Figura 10

Donde d es la distancia aparente entre los dos espejos y m es el orden de

la franja; si crece d entonces crece q para m constante (desde Origen).

k d cosq = m p m = 2 l

d cosq

Para un mismo punto de la pantalla, si se procede a mover un espejo, Dm =

[ 2/(l)] cosqDd, o bien, si se introduce una caja de espesor d con un medio

de ndice de refraccin n, entonces, para medir n se puede utilizar la frmula.

Dm = 2 l

d cosqks Dn

El interfermetro tambin se utiliza para la comparacin de longitudes de onda

con q 0. Para ello se vara d hasta superponer las franjas de las dos

27

longitudes de onda y a partir de este punto, se sigue variando d hasta que se

produce la prxima coincidencia.

D( 2 l

) d = N D( 2 l

) d = N +1 Dl l

= l

2 Dd

7.4 Diodo Lser

La palabra LSER proviene de las siglas en ingls: Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation, que significa:

Amplificacin de luz por Emisin estimulada de radiacin.

Lo anterior se refiere a un extrao proceso cuntico, donde la luz emitida por

electrones, pasan de un estado de alta energa a un estado de menor energa,

estimulando a otros electrones para crear "saltos" similares.

En el caso de una fuente de luz blanca comn, sta genera todos los

diferentes colores (a sus respectivas frecuencias) en forma de rayos dispersos

(van en diferentes direcciones) y no estn en fase. En el caso de una fuente de

luz lser todos los rayos son del mismo color (monocromticos) o lo que es lo

mismo, tienen la misma frecuencia y estn en fase. (Ver figura 11)

28

Fuente de luz blanca comparado con la luz lser

Figura 11

Estos dispositivos tambin se les denomina Diodos lser de inyeccin, o por

sus siglas inglesas LD o ILD.

Adems su haz luminoso, es coherente, es decir, ya que todos sus picos y valles

se concentran en un solo punto (Ver figura 12).

A continuacin se puede observar una fisiologa, para obtener un mayor

entendimiento de cmo est estructurado un diodo lser (Ver figura 13).

29

Haz de un diodo Lser

Figura 12

Estructura de un diodo Lser

Figura 13

30

El diodo lser se obtuvo como resultado de la continuacin

del desarrollo del diodo LED.

Los diodos LED comunes, irradian una sola luz (son monocromticos), una

sola frecuencia, pero no estn en fase y se propagan en forma dispersa.

En cambio los diodos LASER, producen una luz coherente. Esta luz no slo es

monocromtica (un solo color), sino que es monofsica (estn en fase),

resultando en un rayo de luz muy preciso.

Los diodos LSER tienen una gran cantidad de aplicaciones, lectura y escritura

de discos pticos, donde slo un rayo de luz muy angosto puede ver una rea

microscpica en la superficie de un disco. Para mediciones precisas en donde es

indispensable un rayo de luz que no se disperse.

Algunos diodos lser requieren de circuitos que generen pulsos de alta potencia,

para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente en pequeos instantes

de tiempo. Otros diodos lser necesitan de un funcionamiento continuo pero a

menor potencia.

Con el envejecimiento los diodos lser podran necesitar ms corriente para

generar la misma potencia entregada. Pero no hay que olvidarse que estos

elementos tienen una vida muy larga.

31

7.4.1 Historia

El diodo lser fue inventado en tres laboratorios de investigacin en USA, de

modo independiente. Los investigadores consiguieron radiacin

electromagntica coherente de un diodo de unin P-N con base en material

semiconductor de GaAs Arsenuro de Galio.

La palabra LSER es un acrnimo de Light Amplified of Stimulated Emisin

by Radiation, con mltiples aplicaciones en la Industria, la Biologa y la

Medicina.

Al final de los 80s y principios de los 90s aparecen lseres encaminados a la

solucin de las lesiones pigmentarias de la epidermis (Ver figura 14), (las

manchas de la cara, lntigos, hiperqueratosis y otros), su mximo exponente

fue el lser de Rub. La utilizacin del lser de Rub y del colorante pulsado en

el rostro de varones adultos permiti observar que las reas tratadas por lesiones

vasculares o pigmentarias se acompaaban de una depilacin persistente de las

mismas (Ver figura 15).

32

Utilizacin del Lser como mtodo de solucin de lesiones pigmentarias

Figura 14

Mtodo De Lser de Rub en rostro de varones adultos

Figura 15

33

En 1996 el Congreso Nacional Americano de Lser tiene por primera vez una

ponencia extensa de la aplicacin del lser para depilacin del pelo no deseado.

La efectividad y la demanda social que acompaa a la depilacin provocan el

desarrollo frentico de esta tecnologa.

7.4.2 Funcionamiento

Los diodos lser, emiten luz por el principio de emisin estimulada, la cual surge

cuando un fotn induce a un electrn que se encuentra en un estado excitado a

pasar al estado de reposo, este proceso est acompaado con la emisin de un

fotn, con la misma frecuencia y fase del estimulante. (Ver figura 16)

Emisin estimulada

Figura 16

34

Para que el nmero de fotones estimulados sea mayor que el de los emitidos de

forma espontnea, para que se compensen las prdidas, y para que se

incremente la pureza espectral, es necesario por un lado tener una fuente de

inversin de portadores, la que se logra con una polarizacin directa de la unin,

y por el otro una cavidad resonante, la cual posibilita tener una trayectoria de

retroalimentacin positiva facilitando que se emitan los fotones de forma

estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendo ms angosto al

espectro emitido. (Ver figura 17)

Trayectoria estimulada

Figura 17

35

7.4.3 Ventajas y desventajas del diodo Lser

Ventajas:

La emisin de luz es dirigida en una sola direccin.

La emisin de luz lser es monocromtica.

Rendimiento muy alto (ms del 20% de la energa suministrada es

emitida como radiacin lser).

Alta fiabilidad.

Tiempo de vida muy largo (ms de 100 aos de operacin contina).

Precio muy barato.

Pequeo peso y volumen.

Corriente umbral muy baja.

Bajo consumo de energa.

Bandas espectrales (unos pocos Kilo-Herzios).

Desventajas:

Una baja potencia a consecuencia de las bandas de energa ocupadas por

los electrones.

Una alta sensibilidad a los altos cambios de temperatura.

Alto calentamiento al pasar corriente sobre el material del diodo.

Poca colimacin en el haz obtenido.

36

A pesar de las desventajas, el lser de semiconductores es el segundo ms

vendido despus del lser He Ne en computadoras, impresoras, medios de

comunicacin, tratamientos mdicos, etc.

7.5 Deteccin directa y deteccin coherente

Deteccin Directa:

Consiste en convertir la potencia ptica directamente en una corriente

elctrica proporcional a ella.

Ese sistema tiene la ventaja de su sencillez y bajo costo, frente al sistema

de deteccin coherente, debido a la complejidad de los componentes que

ste incluye.

Deteccin Coherente:

Se basa en la mezcla no lineal, en el fotodetector, de la seal a detectar

con una seal generada en un lser (oscilador local) en el receptor (Ver

figura 18). Esto se puede realizar mediante un acoplador de fibra 2x2.

37

Fotodetector

Figura 18

7.6 Polarizacin de la luz

Una de las propiedades fsicas de la luz, es que puede ser Polarizada. Siendo

la luz un tipo de radiacin electromagntica, posee tanto campo elctrico

como campo magntico; es precisamente su campo elctrico el que produce el

fenmeno de la polarizacin (Ver figura 19).

El capo elctrico de la luz, puede ser descrito mediante un vector, el cual se

encuentra en un plano perpendicular a la direccin de la propagacin de la

misma, oscilando a medida de que la luz avanza en el medio o en el vaco. Es

debido a esto que la luz se le considera una onda electromagntica

transversal.

38

Fenmeno de polarizacin

Figura 19

La mayora de las fuentes de la luz, no se encuentran polarizadas. Se puede

hablar de la luz no polarizada (Ver figura 20), cuando sta no es estrictamente

monocromtica y no es posible determinar si est polarizada o no. En el caso de

la luz polarizada donde no todos los tomos emiten luz en el mismo estado de la

polarizacin, haciendo que el vector del campo elctrico, vibre en todas las

direcciones, cancelando el efecto de polarizacin.

39

Luz No Polarizada

Figura 20

7.6.1 Luz linealmente polarizada

Se dice que la luz es linealmente polarizada (o polarizada plana) cuando la

componente X y la componente Y del vector del campo elctrico, se

encuentra en fase. Si se pudiera observar las oscilaciones del campo elctrico en

un haz de luz linealmente polarizada, viniendo de frente (saliendo de la

pantalla), entonces el movimiento descrito sera lineal, o un recta (Ver figura

21).

40

Luz Linealmente Polarizada

Figura 21

7.7 Lminas Retardadoras de onda

Un Retardador o Lmina de onda, es un dispositivo ptico que afecta el

estado de polarizacin de una onda de luz viajando a travs de l.

Funciona produciendo un desfase entre las dos componentes de onda.

Por ejemplo, una Lmina de un cuarto de onda introduce un desplazamiento

de un cuarto de onda o 90 (Ver figuras 22 y 23) y pueden transformar la

polarizacin lineal en polarizacin circular y viceversa. Esto se hace ajustando el

41

plano de luz incidente de modo que forme un ngulo 45 con el eje rpido dando

as igual amplitud para la onda ordinaria que para la extraordinaria.

Lmina retardadora de de onda

El otro tipo comn de retardador es la Lmina de media onda que retarda una

polarizacin en media longitud de onda o 180 (Ver figuras 24 y 25). Este tipo

de retardador rota la direccin de la luz polarizada.

Si el haz incidente es luz no polarizada, el retardador no producir ningn

efecto sobre l, porque, an cuando pueda resolver efectivamente al haz en dos

componentes polarizadas, ninguna componente tiene fase media definida y no

existe, entonces, una relacin de fase media entre ellas. Cuando las dos

componentes se renen, al salir del retardador, la combinacin es tan

desordenada como lo era el haz incidente; ningn modelo predomina y el grado

Figura 22

Figura 23

42

de polarizacin es cero. Si el haz es luz parcialmente polarizada, el retardador

slo tendr efecto sobre la parte polarizada.

Lmina retardadora de de onda

Figura 24

Figura 25

43

VIII. Plan de actividades

Actividades

Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Sem 1

Sem 2

Sem 3

Sem 4

Sem 1

Sem 2

Sem 3

Sem 4

Sem 1

Sem 2

Sem 3

Sem 4

Sem 1

Sem 2

Sem 3

Sem 4

Investigacin sobre el

proyecto a realizar.

Ensamble de elementos

pticos para el proyecto.

Calibracin del interfermetro.

Construccin de circuitos

electrnicos.

Mediciones elctricas.

44

IX. Desarrollo del proyecto

En este punto, el desarrollo se dividi por etapas, como las siguientes:

9.1 ETAPA 1 FUENTE DE ALIMENTACIN

Este esta etapa, se alimenta con pilas AA el interfermetro de Michelson con un

voltaje a 3 V, para suministrar energa al diodo lser. (Ver figura 26)

Fuente de alimentacin

Figura 26

45

9.2 ETAPA 2 POSICIN DEL LSER

El lser tendr muchos movimientos de lugar en este apartado, ya que la posicin

del lser deber incidir en el punto medio de cada lente. Teniendo esto, los

parmetros propuestos son:

La altura del camino ptico deber estar a 3.6 cm. (Ver figura 27)

Altura adecuada del camino ptico

Figura 27

Con ayuda de una escuadra de 45, y utilizando una lmina

retardadora (Ver figuras 28 y 29), se encontrar el punto ms intenso

del haz del lser. Esto se logra girando el diodo lser para poder

encontrar el punto deseado.

46

Encontrando el puto ms intenso del haz lser

Figura 28 Figura 29

47

9.3 ETAPA 3 ESTRUCTURA FINAL DEL INTERFERMETRO

Aqu se mostrar el diseo terminado del proyecto, una vez que se haya montado

el sistema ptico en su base perforada. (Ver figura 30)

Diseo del proyecto

Figura 30

Maqueta en 3D mediante el software de SolidWorks. (Ver anexos 1 y 2)

Diodo Lser

Beam Splitter

Polarizado

Lmina

Retardadora

de Landa

Beam Splitter

Polarizado

Beam Splitter

Polarizado

Lmina

Retardadora

de 1/4 Landa Beam Splitter

No Polarizado

Sensores.

Lente Fijo

(Referencia).

Lente Fijo

Mvil.

Corner Cube

48

9.4 ETAPA 4 DIVIDIR EL HAZ DEL LSER EN 2 CAMINOS PTICOS

Una vez realizada la etapa 2, se podr continuar para Dividir el camino ptico

en 2 partes.

Esto se logra utilizando un cubo ptico (Beam Splitter Polarizado), en el que el

haz lser atravesar en el interior del cubo (Ver figura 31). El cul refleja el 50%

de la onda incidente y transmite el otro 50%. Uno de los haces, se transmite hacia

un espejo mvil, y el otro se refleja hacia el espejo fijo.

Beam splitter polarizado

Figura 31

49

9.5 ETAPA 5 AJUSTANDO EL SISTEMA PTICO

Llegado a este punto, es muy importante estar ajustando todo el sistema de

espejos, dndole una revisin, que no estn los espejos fuera de su posicin que

ya estaba designada (Ver figuras 32, 33 y 34). Un ejemplo sera el espejo mvil,

ya que hay que ajustar los tornillos de forma que el haz generado sea paralelo a

la base de interfermetro. Lo recomendable es que el haz lser incida en cada

centro de los espejos.

Ajustando el interfermetro

Figura 32

50

Figura 33

Figura 34

51

9.6 ETAPA 6 BIFURCACIN DE CAMINOS PTICOS (MXIMA Y

MNIMA INTENSIDAD)

Teniendo todo ajustado, el haz lser incidido en el espejo fijo, se reflejar en otro

espejo que se llama Corner Cube (Figura 35); Continuando su camino ptico,

atravesar por una Lmina Retardadora de (Landa), y se encontrar

con un Beam Splitter No Polarizado (Ver figura 36), que su funcin es slo

dividir ese haz en 2 partes iguales (50%, 50%), y as, un haz topar con otro cubo

ptico de menor tamao Beam Splitter Polarizado (Ver figura 37) ste

mandar los haces a 2 sensores.

Corner cube

Figura 35

52

Beam splitter no polarizado

Figura 36

Beam splitter polarizado

Figura 37

53

Y el otro haz, pasar, por otra Lmina Retardadora de (Landa) que

atenuar el haz del lser.

Con ese haz atenuado, pasar por otro cubo Beam Splitter Polarizado, que

partir en 2 el camino ptico, y llegar hasta otros 2 sensores que detectarn una

baja incidencia de luz.

9.7 ETAPA 7 ACONDICIONAMIENTO

Una vez realizada la etapa anterior, cada uno de los sensores pasar el circuito

acondicionador de seal, y la salida de cada seal acondicionada, se apreciar

como se mencion antes, en el osciloscopio y el contador de alta velocidad para

mostrar sus mediciones correspondientes. (Ver figura 38)

54

Circuito acondicionador

Figura 38

9.8 ETAPA 8 MEDICIN DE SEALES

Una vez concluido y logrado con xito las cinco etapas anteriores, ahora se

pasar a la ltima etapa, dnde consistir en tomar las seales de cada sensor

cuando le incide el haz lser. Para tomar esas seales, se necesitar de un

osciloscopio, donde se pueda apreciar su frecuencia, voltaje por cuadro y la

anchura de la onda senoidal ilustrada.

Para ello se colocan las puntas del osciloscopio a la salida de seal de cada

sensor, y conectan a una tierra en comn. (Figuras 39 y 40)

55

Seales tomadas del osciloscopio

Figura 39 Figura 40

56

X. Resultados obtenidos

De acuerdo con los objetivos expuestos en este documento, se concluy con

cada uno de ellos a lo largo del proceso de estada. Se obtuvo la maqueta (Ver

figura 41) deseada llevando acabo su construccin, calibracin, y ajuste de cada

elemento ptico, para que el haz de luz incidiera en los 4 sensores, recaudando

mediciones con sus respectivas ondas senoidales, visualizadas en un

osciloscopio. (Ver figura 42)

Maqueta del Interfermetro de Homodino

Figura 41

57

Osiloscopio mostrando seales senoidales

Figura 42

58

XI. Conclusiones y recomendaciones

Con la realizacin del proyecto Interfermetro de Homodino, se puede

comprender ms a fondo cmo funcionan los equipos de la interferometra, en

sus distintas aplicaciones en dnde sean requeridos. Es un proceso muy

laborioso el estar calibrando el equipo, pero despus de eso, son

extremadamente precisos.

Una nica recomendacin que se puede exponer, sera tener ms tiempo para la

comprensin y elaboracin del proyecto, ya que hubiera sido muy interesante

llegar a la construccin de un Lser Tracker, utilizando un software adecuado

para la visualizacin de objetos u otras cosas slidas, para poder admirarlas en

diseos tridimensionales y tiempo real.

59

XII. Anexos

Anexo 1

Diodo Lser

Beam Splitter

Polarizado Lmina Retardadora

de Landa

Beam Splitter

Polarizado

Beam Splitter

Polarizado

Lmina

Retardadora

de 1/4 Landa

Beam Splitter

No Polarizado

Sensores.

Lente Fijo

(Referencia).

Lente Fijo

Mvil.

Corner Cube

60

Anexo 2

Diodo Lser Beam Splitter

Polarizado

Lmina

Retardadora

de Landa

Beam Splitter

Polarizado Beam Splitter

Polarizado

Lmina

Retardadora

de 1/4 Landa

Beam Splitter

No Polarizado

Sensores. Lente Fijo

(Referencia).

Lente Fijo

Mvil.

Corner Cube

61

XIII. Bibliografa

1) B., R. J. (s.f.). ptica. Obtenido de Investigadores: http://www-

optica.inaoep.mx/investigadores/carlost/pdfs/Jose_Benito_Ruiz_Car

bajal.pdf

2) Ecured. (Lunes 15 de Diciembre de 2014). Diodo lser. Obtenido de

http://www.ecured.cu/index.php/Diodo_lser

3) Mecfunnet. (s.f.). Difraccin. Obtenido de Interferencia:

http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/difraccion/interferencia/interf_mich

elson.html

4) Mecfunnet. (s.f.). Interfermetro de Michelson. Obtenido de

http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/interferencia/interf_michelson.html

5) Reinshaw. (2000). Obtenido de Aplicacin de la interferometra:

www.renishaw.es/es/explicacion-de-la-interferometria--7854

6) UNAM. (2002). Polaraizacin. Obtenido de Luz linealmente

polarizada:

http://luz.izt.uam.mx/mediawiki/index.php/Polarizaci%C3%B3n_de_l

a_Luz#Luz_Linealmente_Polarizada

2014-12-19T13:47:17-0600Universidad Tecnolgica de Quertaro