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REFLECTORES DE BRAGG (O CRISTALES FOTÓNICOS 1D) |
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Esta página
desarrolla contenidos del artículo "Iridiscencia y
cristales fotónicos en Bachillerato", publicado en 2022 en la Revista Española de
Física (Autores: Manuel Alonso Orts y Manuel Alonso
Sánchez), el cual ha obtenido el Premio de Física 2023
de la Real Sociedad Española de Física y BBVA a la Mejor
Contribución a las Publicaciones de la RSEF en la modalidad
de Enseñanza. |
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Entre las
innumerables aplicaciones de la física de materiales, una es la
producción de láminas de espesor nanométrico con alta
reflectividad lumínica para una determinada longitud de onda.
Para prepararlas se tiene en cuenta que la
condición de interferencia constructiva de
la iridiscencia tiene lugar cuando el espesor de la
lámina, d, es igual al cociente entre la longitud de onda que se
quiere reflejar y cuatro veces el índice de refracción del material que forma la lámina (d=λ/4n). Sabiendo
esto, se pueden preparar láminas reflectantes para una longitud
de onda deseada (un color que se quiere reflejar) usando
materiales diversos. |
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A modo
de ejemplo, vemos en la tabla adjunta, que una lámina de
óxido de aluminio (Al2O3) ha de
tener un espesor de 110nm para que el pico de
interferencia constructiva (reflectividad máxima) tenga
lugar para luz roja de 750nm.
En la misma tabla vemos que se puede obtener un resultado similar usando
otro material, como óxido de titanio (TiO2),
y entonces ha de ser una lámina de 75nm de espesor
(véase que en ambos casos se cumple la condición d=λ/4n)
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Aunque estas
láminas nanométricas tienen la máxima reflectividad para un
determinado valor de la longitud de onda, lógicamente no
reflejan únicamente la luz de ese color cuando son iluminadas,
por ejemplo, con luz blanca. Su espectro de reflectividad tiene
el máximo en esa longitud de onda, pero el porcentaje de luz
reflejada de ese color buscado puede ser mucho menor del que se
desea conseguir. |
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Para
hacer que ese porcentaje aumente se utiliza la técnica
de apilar varias láminas delgadas, alternando dos
materiales de índices de refracción alto (nA) y bajo (nB).
De este modo, las
reflexiones "interlámina" están en fase entre sí y,
al interferir todas ellas constructivamente, se puede
alcanzar, con
un número suficiente de repeticiones,
una reflectividad global de toda la estructura muy
próxima al 100% para la longitud de onda (el color) que
se quiere reflejar.
Este es
el fundamento de los denominados reflectores de Bragg,
que son unas estructuras fotónicas, basadas en una repetición periódica
de láminas delgadas adecuada para potenciar al máximo la reflectividad de la superficie en torno a una
determinada longitud de onda. Dicha longitud de onda se conoce como la longitud
de onda de Bragg, por su analogía con la
ley de Bragg en
difracción de rayos X. |
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En la
fotografía adjunta, situada a la derecha de este texto,
se pueden ver dos reflectores de Bragg obtenidos por Manuel
Alonso Orts en el Instituto de Física del estado
sólido de la Universidad de Bremen, depositadas sobre una superficie de silicio.
Ambas apilan alternándolas láminas de óxido de aluminio
(Al2O3) y de óxido de titanio (TiO2),
cuyos espesores son los indicados en la tabla mostrada
más arriba. Como vemos, aunque estas láminas tienen su
máxima reflectividad para luz
roja de 750nm, la primera de ellas (más a la
izquierda) se ve de un color
ocre y la segunda se ve de un
color rosado rojizo
(más cercano al rojo). Esto es así, porque en la muestra
color ocre
únicamente se apiló una lámina de cada uno de los dos
materiales. La simulación (debajo, a la izquierda)
indica que en esta situación la reflectividad de la
bicapa en torno la longitud de onda de 750nm ha de ser
del orden de 0.6 (60%). |
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Para obtener la
muestra de color rosado rojizo
se duplicó el número de capas (lo que implica multiplicar por dos las
reflexiones parciales de luz que interfieren en el color deseado), y, como
indica la simulación (debajo a la derecha), ello elevó la reflectividad (en la longitud de onda de 750nm) hasta un 80%.
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En el
desarrollo científico-tecnológico, los reflectores
de Bragg se usan desde hace ya mucho tiempo para producir
espejos de colores y para recubrir la
superficie externa de diversos dispositivos,
consiguiendo que esas superficies reflejen de forma muy
eficiente la longitud de onda (o el rango de longitudes
de onda) requerida por ellos.
Así, por ejemplo, muchos diodos láser utilizan estos
recubrimientos desde los años 70 (para confinar luz de
determinada longitud de onda) y también se han incorporado a gafas de
cristal antirreflejante y a células solares. |
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Recientemente han
sido empleados en los espejos del interferómetro de
detección de ondas gravitacionales Advanced LIGO, contribuyendo
eficazmente a que se reduzcan las pérdidas ópticas respecto a
diseños anteriores. |
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Índice |
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