La fibra óptica es un material transparente con un índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada.

El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.

La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.

En la practica de laboratorio se observaran las propiedades ópticas de la fibra óptica, usaremos para esto un láser y el osciloscopio. Con el láser nos proponemos determinar la apertura numérica proyectando un circulo definido contra una pantalla y midiendo el diámetro del mismo. Por medio del osciloscopio vamos a determinar la atenuación lineal en la fibra óptica, midiendo la potencia de entrada a la fibra óptica y la potencia de salida, y para compararlos usaremos la escala conocida como atenuación lineal.

Veremos por medio de un experimento sencillo la importancia de un fenómeno como la reflexión total interna, y como esta misma puede variar variando los ángulos, o la relación entre los índices de refracción entre la sustancia que transmite la luz y el medio en que esta.

• ¿Qué es una fibra óptica y cuales son sus partes principales?

La fibra óptica es una nueva aplicación práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy pequeño, recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e incluso en vasos sanguíneos.

La fibra óptica consta de un núcleo interior cilíndrico que conduce la luz y una envoltura concéntrica exterior, denominada recubrimiento(o revestimiento). El núcleo esta echo de vidrio o plástico transparente que tiene un índice de refracción relativamente alto. El recubrimiento también de vidrio, tiene un índice de refracción relativamente bajo.

La luz penetra por un extremo del núcleo, incide en la interficie núcleo-recubrimiento a un ángulo de incidencia mayor que el ángulo critico y por tanto se refleja de vuelta hacia el núcleo. Luego la luz se desplaza en el interior de la fibra óptica siguiendo una trayectoria en zigzag.

En una fibra bien diseñada se pierde poca luz como resultado de la absorción por el núcleo, por lo que la luz puede recorrer muchos kilómetros antes de que su intensidad disminuya de manera apreciable.

Las fibras suelen utilizarse trenzadas entre si a fin de obtener cables que a menudo contienen 72 fibras. Debido a que las fibras son tan delgadas, los cables son relativamente pequeños y flexibles, por lo que pueden colocarse en sitios inaccesibles para la mayor parte de cables de alambre.

n´ = núcleo

n = recubrimiento

• ¿Qué es un guía de ondas?

Las guías de ondas son tubos conductores dentro de los que se propagan las microondas. La estructura de las ondas electromagnéticas que se propagan en una guía es distinta de la de las ondas no confinadas. Si las paredes del tubo fueran perfectamente conductoras, el campo eléctrico dentro de cualquier pared tendría que ser cero. El campo eléctrico en la cavidad seria exactamente perpendicular a las paredes. Dentro de los conductores ordinarios el campo es extremadamente pequeño y a corta distancia de la superficie baja a cero. Podría existir un campo magnético estático dentro de un conductor, pero un campo magnético cambiante generaría un campo eléctrico, por lo que este no puede existir. Como la componente normal de B es continua a través de cualquier frontera y B es cero dentro del conductor, B dentro de la guía es tangencial a la superficie. Así las condiciones de frontera en la superficie de la guía de onda son:

Se pueden comprender las principales propiedades de las guías de onda observando un sistema sencillo: dos placas metálicas paralelas con una separacion a. Una onda que se propaga a lo largo de la guía en dirección x y que este polarizada con E perpendicular a las placas (en z) y B paralelo a las placas (en y). Este sistema satisface las condiciones en la frontera y en consecuencia es un modo posible, al cual se llama modo transversal electromagnético (TEM). Una onda polarizada con E paralelo a las placas no se puede propagar directamente a lo largo de la guía, porque E es tangencial a la superficie. Ese modo transversal eléctrico (TE) se puede propagar como superposición de ondas que se reflejan de las placas. En cada reflexión hay un cambio de fase de p (el campo eléctrico invierte su dirección) lo que mantiene a E=0 en la superficie de la guía como se necesita. Las componentes de B perpendiculares a las placas tambien suman cero en la superficie, así que B es tangencial. Los campos eléctricos y magnéticos tienen una intensidad máxima en el centro de la guía donde la superposición de los vectores campo magnético es perpendicular a las placas.

Para una onda con determinada frecuencia solo son posibles ciertos ángulos de reflexión debido a la forma en la que deben superponerse las ondas en la guía. Cada ángulo permitido corresponde a una determinada longitud de onda de la perturbación en la guía. Las longitudes de onda permitidas se definen con:

Donde

a: separación de placas

l : perturbación en la guía de onda

l : longitud de onda en el espacio libre

El índice de refracción, de una sustancia o un medio transparente, es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en la sustancia o el medio transparente.

Este número, mayor que la unidad y sin unidades, es una constante característica de cada medio y representa el número de veces que es mayor la velocidad de la luz en el vacío que en ese medio.

El índice de refracción se mide con un aparato llamado refractómetro en el que se compara el ángulo de incidencia con el ángulo de refracción de la luz de una longitud de onda específica.

Como el índice de refracción es sensible a los cambios de temperatura y varía con la longitud de onda de la luz, deben especificarse ambas variables al expresar el índice de refracción de una sustancia.

El índice de refracción de un material óptico es representado con n, es central en la óptica geométrica.

n = c / v

donde:

c: velocidad de la luz

v: rapidez en el material.

En la mayoría de los materiales el índice de refracción disminuye al aumentar la longitud de onda y disminuir la frecuencia. En el aire este fenómeno se presenta en muy poca medida debido a esto es que no vemos la luz como colores individuales, sino como un solo haz de luz blanca.

¿Cuáles son los índices de refracción del aire, agua, plástico y silicona?

Los siguientes son los índices de refracción de estas sustancias a 293 K y 1 atm (y medido para una longitud de onda de 550 nm)

• Hipótesis

Si se trabaja la fibra óptica en el interior de un medio distinto al aire (con un índice de refracción óptico mayor), debería aumentar el valor numérico de la atenuación de la luz, ya que el ángulo critico entre las sustancias disminuye

Si se usa un haz de luz al cual fuese posible variarle la frecuencia debería cambiar el diámetro de la apertura numérica, ya que para la mayoría de los materiales el índice de refracción óptica varia al cambiar la longitud de onda

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