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INVESTIGACIÓN SOBRE
CRISTALES FOTÓNICOS. ALGUNAS APLICACIONES |
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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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La
investigación en cristales fotónicos tiene un gran
impacto en la actualidad, debido tanto a sus
implicaciones teóricas en el campo de la física de
materiales, como a sus aplicaciones prácticas. Como ya
se ha comentado en la página anterior, los monodimensionales son
utilizados desde hace tiempo como láminas ópticas delgadas, con
aplicaciones que van desde recubrimientos de lentes y espejos
con baja y alta reflexión hasta pinturas que cambian de color y
tintas. |
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Pero son los cristales fotónicos
de mayor dimensionalidad (2D y 3D), los que están
generando ahora mucho interés y la naturaleza ha
ayudado notablemente a la investigación aplicada en
ellos, no sólo enseñando patrones exitosos para la alternancia
de los medios que pueden componer dichos cristales fotónicos,
sino también dando lugar a algunas aplicaciones basadas en
ciertas ventajas que
aporta en el mundo natural la tenencia de dichas
estructuras. |
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Un ejemplo de esto segundo lo
brinda el escarabajo rinoceronte, cuyo caparazón
se estructura, en tres capas (imagen a): la
cubierta externa, una capa intermedia porosa y
la capa más interior impregnada de melanina. Las
imágenes microscópicas de la capa intermedia
porosa revelan que tiene una
estructura de cristal fotónico 3D (imagen d),
que, además de afectar al color de
dicho caparazón, permite a estos insectos moverse
con menor fricción en entornos húmedos.
Así ocurre que cuando estos escarabajos se desplazan por
lugares secos (imagen b) el color estructural
que muestran es uno, mientras que cuando lo
hacen por zonas más húmedas (imagen c) dicho
color se modifica, porque a medida que aumenta
la humedad va cambiando
el índice de refracción efectivo en los huecos
de su estructura de cristal fotónico (al irse
rellenando con agua la zona porosa e
iridiscente). |
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Pues bien, el conocimiento de estos hechos, ha
ayudado recientemente a que se
diseñen sensores de humedad, los cuales
se construyen reproduciendo estructuras
similares de la del caparazón de este escarabajo
y usan el color estructural que reflejan
estas estructuras como parámetro indicador de
la humedad (del mismo modo que un termómetro de
mercurio, por ejemplo, utiliza la altura de la
columna de Hg como parámetro indicativo de la
temperatura).
Como puede verse en la gráfica que se muestra en
la parte inferior de la figura situada a la
derecha de este texto, este tipo de sensor de
humedad tiene
su máxima reflectividad para un valor diferente
de la longitud de
onda dependiendo del nivel de humedad de la
superficie con la que el sensor entra en
contacto: desde un
color azul con una humedad del
25%, hasta un color
rojo con una humedad del 98%.
Biologically inspired
humidity sensor based on three-dimensional
photonic crystals (artículo de
Jae Hyun Kim, Jun Hyuk Moon, Seung-Yop Lee, y
Jungyul Park , publicado en 2010 en la revista
Applied Physics Letters) |
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Para
terminar este apartado, nos referimos a una aplicación
de la que se espera que
tenga un gran impacto en el desarrollo
científico-tecnológico, y que está actualmente en
pleno desarrollo: El hecho de que estas estructuras tienen unas propiedades ópticas que
permiten guiar a la luz cuando viaja a través de ellos. |
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En la imagen adjunta situada más a la izquierda
se representa el corte de un cristal fotónico, cuya estructura se ha roto "tapando"
algunos conjuntos ordenados de huecos, que
forman
caminos. En estas condiciones, la luz que cumpla
la condición de Bragg para el diseño periódico
no puede propagarse por el resto del cristal
fotónico y, por ello, se ve forzada
a viajar por esos caminos (imagen a la derecha) |
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Bajo
esta idea, se
diseña la llamada “fibra óptica de cristal fotónico”,
para una longitud de onda deseada. A diferencia de una
fibra óptica convencional, el guiado no se produce por
la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y
el revestimiento, sino por los efectos de
interferencia que estamos viendo en estos apartados.
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A la
derecha de este texto se muestra un esquema del corte
transversal de una fibra de cristal fotónico. El índice
de refracción del material, el diámetro de los agujeros
(Air-Hole Diameter) y la periodicidad de los mismos (Pitch),
son los parámetros de la estructura fotónica que
permiten el guiado de la frecuenciao las frecuencias deseadas a lo
largo del núcleo (Core) de la fibra.
Conviene
saber que, gracias
a las características específicas por las que se produce
el guiado, estas fibras son competitivas respecto a las
fibras ópticas convencionales en diversas aplicaciones.
Además,
tienen la gran ventaja de poder guiar luz monomodo, es
decir, luz de
una determinada longitud de onda deseada. Y, las pérdidas de
energía con este sistema de transporte de la luz son muchísimo menores que las que se tienen al
usar las fibras
ópticas convencionales.
Photonic Crystal Fibers
(artículo de Philip Russell publicado en 2003
en la revista Science) |
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