«Un ciudadano de Los Ángeles descubre el rayo de la muerte». Este impactante titular apareció en un periódico de Los Ángeles en julio de 1960. Unas semanas antes, concretamente el 16 de mayo de 1960, el ingeniero y físico americano Theodore H. Maiman en los laboratorios de investigación de Hughes había conseguido que un cilindro de rubí sintético son bases reflectantes y una lámpara de fotografía emitiera pulsos de luz roja intensa lo que constituyó la primera implementación física del láser.
Theodore H. Maiman con la primera implementación de un láser
Este hito en la fotónica fue consecuencia tanto de siglos de estudio de grandes científicos como Newton, Young, Maxwell o Einstein tratando de conocer y explicar la naturaleza luz, como de una frenética carrera desde los años 50 entre una docena de laboratorios con los de Bell a la cabeza por demostrar experimentalmente que la emisión estimulada de la luz predicha por Albert Einstein en su trabajo de 1917 «The Quantum Theory of Radiation» era posible.
El término LASER o «Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation» fue acuñador por Gordon Gould en 1957 en sus notas sobre la viabilidad de la construcción de un láser. Gould había sido estudiante de doctorado de Charles Townes, quien, en 1954, había construido el MASER, predecesor del láser, que amplificaba las ondas microondas por emisión estimulada de la radiación. Finalmente, Charles Townes recibiría en 1964 el Nóbel de física por su implementación del MASER, Gordon Gould se haría millonario con la patente del láser y Mainman recibiría el reconocimiento de haber realizado la primera implementación de un láser, además de numerosos reconocimientos académicos.
Un láser es una fuente de luz con unas características especiales de coherencia, monocromicidad y colimación. Estas características permiten concentrar con la ayuda de lentes ópticas una gran intensidad de energía en un área mínima. Para conseguir estas características, el láser hace uso del mecanismo cuántico predicho por Einstein con el que se consigue que la generación de fotones en ciertos medios sólidos, líquidos o gaseosos se amplifique en gran medida cuando dichos medios son excitados eléctricamente o mediante pulsos de luz.
Durante los años 60, además del láser de estado sólido de Maiman, se desarrollaron otros láseres como el láser de He-Ne en diciembre del 60 y el láser de CO2 en 1961 cuyo medio activo eran gases o el láser de diodo en 1962. Aunque en principio se dijo del láser que era «una solución para un problema no definido», rápidamente el número de aplicaciones de este incremento en gran medida haciendo de este una herramienta imprescindible en la mayoría de los campos de la ciencia y fabricación. Podemos encontrar ejemplos de esto en la industria, donde sus múltiples usos para cortar, soldar o para tratamientos superficiales de gran número de materiales los ha hecho imprescindibles o en el sector de las comunicaciones donde su uso como emisor de información mediante pulsos de luz a través de fibras ópticas ha permitido conseguir tasas de transferencia de datos inimaginables sin las cuales no sería posible la actual transformación digital.
Actualmente, el desarrollo de nuevos láseres, las prestaciones y sus aplicaciones sigue creciendo. Por ejemplo, en los últimos años, los láseres verdes y azules están cobrando mucha importancia en la electro movilidad ya que sus longitudes de onda son más adecuadas para las soldaduras de elementos de cobre en comparación con otros láseres más habituales.
Láser verde para corte y soldadura de elementos de cobre. Fuente: Cvecek, Kaufamnn Blz 2021. https://www.wzl.rwth-aachen.de/go/id/telwe?lidx=1
Desde el 2020 CARTIF forma parte de PhotonHub Europe, una plataforma formada por más de 30 centros de referencia en fotónica de 15 países europeos en el que más de 500 expertos en fotónica ofrecen su apoyo a empresas (principalmente PYMES) para ayudarlas a mejorar sus procesos productivos y productos a través del uso de la fotónica. Para ello se han articulado hasta el año 2024 acciones formativas, de desarrollo de proyectos y de asesoramiento a nivel técnico y financiero. Por otro lado, para estar al tanto de lo que ocurre en el mundo de la fotónica os animamos a formar parte de la comunidad creada en PhotonHub Europe. En esta comunidad podéis estar al tanto de las actividades de la plataforma como de noticias y eventos relaciones con la fotónica.
Lo más seguro es que la palabra fotónica no forme parte de tu vocabulario habitual, pero las tecnologías desarrolladas en este campo son cada vez más usadas en el discurrir diario de nuestras vidas.
Albert Einstein
Si atendemos a la definición que da la RAE de la fotónica: «Perteneciente o relativo a los fotones» lo más seguro es que esto no os diga nada, a no ser que conozcáis trabajos de investigación como los del gran físico Albert Einstein. Concretamente su explicación del fenómeno fotoeléctrico descubierto por Hertz en 1887 y por el que, curiosidades de la vida, Einstein recibió hace exactamente 100 años (1921), el premio Nobel y no por su famosa teoría de la relatividad.
La fotónica se entiende mejor si usamos otras definiciones, como la formulada por la plataforma española fotónica21 de la que CARTIF forma parte:
«La Fotónica es la ciencia del aprovechamiento de la luz, cubriendo la generación, detección, gestión del guiado, manipulación de la luz y, lo que es más importante, su utilización en beneficio de la humanidad»
Por tanto, la luz es el centro de la fotónica. Fenómeno físico cuya explicación ha necesitado de cientos de años y de grandes genios para su comprensión sino en su totalidad al menos en un alto grado. Desde las escuelas griegas con Aristóteles y Euclides como ejemplos destacados, numerosos científicos, como Al Haytham, Newton, Young, Maxwell o el propio Einstein dedicaron parte de su vida a dar respuesta a la pregunta ¿Qué es la luz?.
Si resumimos algunas de las conclusiones de estos padres de la fotónica, podemos decir que la luz se define tanto por una onda como por una partícula, lo que se ha denominado la dualidad onda-partícula de la luz. Esta dualidad fue fuente de enconadas discusiones como la llevada a cabo entre Huygens y Newton en el siglo XVII, Huygens defendía la naturaleza ondulatoria de la luz, mientras que Newton solo entendía la luz como un conjunto de corpúsculos luminosos. En el siglo XIX fueron Young con su famoso experimento de la doble rendija y Maxwell con su tratado del electromagnetismo los que confirmaron la naturaleza ondulatoria de la luz, mientras que a principios del siglo XX, Plank y Einstein demostraron la necesidad de cuantificar la luz en forma de paquetes discretos de energía para poder explicar la radiación de un cuerpo negro y el ya mencionado efecto fotoeléctrico. En 1926, Gilbert Lewis denominó fotón a este «quantum» de energía.
Dualidad onda-partícula de la luz Fuente: https://www.youtube.com/c/inanutshell
Por otra parte, la luz no es solo la radiación que podemos ver con nuestros ojos, lo que se conoce como el espectro visible, sino que también se asocia a la radiación infrarroja, la ultravioleta, los microoondas, las ondas de radio y a los rayos X y gamma ya que dichas radiaciones son de la misma naturaleza como demostró Maxwell. De hecho, la International Society of Photonics and Optics (SPIE) en su informe anual del 2020 establece que la fotónica cubre todo el rango del espectro electromagnético, desde los rayos gama hasta las ondas de radio.
Espectro electromagnético
Podríamos decir, de forma simplificada que:
«La luz está formada por un conjunto de partículas, llamadas fotones, que se propagan en forma de ondas electromagnéticas con un amplio rango de frecuencias.»
Donde los fotones son partículas de luz que interaccionan con la materia a nivel subatómico. De forma que si estas partículas tienen el valor adecuado de energía, definido por la frecuencia de la onda, provocarán que los electrones de los átomos absorban su energía y se posicionen en niveles superiores de energía. Del mismo modo, estas partículas de luz son liberadas en los átomos cuando los electrones regresan de forma espontánea o estimulada a niveles de energía menores o más estables.
Interacción de los fotones con la materia Fuente: https://www.clpu.es/
Pues bien, estos fenómenos que ocurren a nivel subatómico son la base para el desarrollo de dispositivos como los LED o los LASER sin los cuales no podríamos, entre otros usos, mejorar la eficiencia energética de nuestras casas o tener cada vez mayores anchos de banda en las comunicaciones por fibra óptica. Estas son una pequeña parte de las aplicaciones de la fotónica, pero da una idea de la magnitud de su importancia ya que está presente en un sinfín de sectores de aplicación.
Por lo que cuando enciendas las luces, oigas las noticias en la radio o las veas en la televisión, te conectes por internet mediante fibra óptica o a través de wireless con tu tablet o smartphone para ver tu serie favorita, actives los sensores de la alarma de tu casa, te hagas fotos, calientes tu desayuno en el microondas e infinidad de acciones más del día a día, piensa como la fotónica ha cambiado nuestras vidas. No es de extrañar que el siglo XXI se haya definido como el siglo del fotón del mismo modo que el siglo XX fue el del electrón y que la fotónica sea una de las tecnologías claves para que la humanidad siga su desarrollo y supere muchos de los complicados retos a los que se enfrenta actualmente y a los futuros.
Desde el 2020 CARTIF forma parte de PhotonHub Europeuna plataforma formada por más de 30 centros de referencia en fotónica de 15 países europeos en el que más de 500 expertos en fotónica ofrecen su apoyo a empresas (principalmente PYMES) para ayudarlas a mejorar sus procesos productivos y productos a través del uso de la fotónica. Para ello se han articulado hasta el año 2024 acciones formativas, de desarrollo de proyectos y de asesoramiento a nivel técnico y financiero. Por otro lado, para estar al tanto de lo que ocurre en el mundo de la fotónica os animamos a formar parte de la comunidad creada en PhotoHub Europe. En esta comunidad podéis estar al tanto de las actividades de la plataforma como de noticias y eventos relacionados con la fotónica.
A pesar del título, este blog no es sobre bailes de salón, pero si sobre algo relacionado con el movimiento y cómo llevar el paso a tu pareja de baile.
¿Alguna vez has notado como una pasarela oscila cuando pasas por ella, o cómo la grada del estadio vibra cuando saltas y animas a tu equipo favorito? Si no lo has experimentado, te recomiendo que veas estos vídeos: Millenium Bridge London, Commerzbank-Arena Frankfurt o Volga Bridge Volgograd.
¿Por qué estas estructuras oscilan si están construidas con materiales tan resistentes y rígidos como el hormigón y el acero? En general, todas las estructuras vibran bajo la acción de personas, vehículos o ráfagas de viento, pero unas estructuras lo hacen de forma más perceptible que otras.
Las estructuras desarrollan oscilaciones de mayor o menor amplitud dependiendo de sus parámetros de rigidez, masa y amortiguamiento. Como norma general, a mayor esbeltez de la estructura, más susceptible es de desarrollar oscilaciones apreciables y en algún caso molestas y peligrosas para las personas.
Experimentando con la frecuencia de resonancia (www.exploratium.edu)
La mejor forma de entender estos conceptos es experimentando. Si estás en casa, te animo a que vayas a la cocina y que cojas unos espaguetis y unas fresas. Si no tienes fresas, podrías usar pequeñas bolas hechas de plastilina. Una vez tengas estos elementos, sujeta firmemente por un extremo uno de los espaguetis y clava una fresa/bola en el otro. Ahora realiza pequeños movimientos hacia adelante y hacia atrás con tu mano.
Cambiando la frecuencia del movimiento verás como a una de estas frecuencias el espagueti desarrolla grandes oscilacionesllegando a romperse. Esta es la “frecuencia de resonancia” del conjunto espagueti-fresa y está definida por la flexibilidad o “rigidez” del espagueti y el peso o “masa” de la fresa. Si ahora pruebas a experimentar usando dos espaguetis en vez de uno y posteriormente cambias la fresa por una de mayor o menor peso verás cómo la frecuencia de resonancia cambia, siendo menor a menor rigidez y/o mayor masa tengas.
En cuanto al amortiguamiento, esta propiedad depende del tipo de material usado, y básicamente lo que hace es oponerse al movimiento, o dicho de otro modo, a mayor amortiguamiento, las amplitudes de la oscilación a la frecuencia de resonancia serán menores, y menor será el tiempo de la vibración una vez que cesa la fuente de la excitación. Esto lo podemos comprobar usando un trozo de alambre de acero en vez del espagueti. Veremos que el espagueti tiene mayor amortiguamiento que el acero pero, por el contrario, es más frágil.
Volviendo a las estructuras civiles, éstas están diseñadas y construidas con distintos materiales y geometrías que las hace tener diferentes valores de masa, rigidez y amortiguamiento, y por tanto distintas frecuencias de resonancia. ¿Qué pasaría si una pasarela peatonal tiene una frecuencia de resonancia cercana o igual a la frecuencia de paso de personas circulando sobre ella? Por lo visto en el experimento, las estructuras de la pasarela desarrollaría oscilaciones de amplitud apreciable, siendo mayores o menores dependiendo de su amortiguamiento. Si este fuera muy bajo, las oscilaciones serían tan grandes que tendrían que cerrar al tráfico la estructura para su modificación. Esto fue lo que ocurrió al tercer día de la inauguración del Millenium Bridge de Londres.
Instalación temporal de amortiguadores de masa pasivos y activos en la Pasarela del Museo de la Ciencia de Valladolid
Básicamente, hay dos soluciones para evitar que una estructura vibre de forma apreciable. La primera consiste en modificar su frecuencia de resonancia cambiando su rigidez y/o masa, y la segunda se basa en añadir amortiguamiento a la estructura. La primera solución es en general cara y modificaría de forma significativa el diseño final de la estructura haciéndola menos esbelta lo cual no suele ser del agrado del diseñador/arquitecto. La segunda solución, más económica y discreta, consistiría en añadir elementos amortiguadores en distintas partes de la estructura tal que aumenten su amortiguamiento global. Algunos ejemplos de estos elementos son amortiguadores hidráulicos similares a los de los coches o elementos viscoelásticos. Para su correcto funcionamiento, estos dispositivos necesitan estar unidos a dos puntos de la estructura con movimiento relativo.
Otro sistema que añade amortiguamiento y en el que CARTIF lleva años trabajando, son los amortiguadores de masa o TMD (Tuned Mass Damper), los cuales consisten en masas que son acopladas a las estructuras mediante muelles o cables metálicos (tipo pendular) y elementos amortiguadores de naturaleza pasiva como amortiguadores hidráulicos e imanes de neodimio, o de naturaleza activa como amortiguadores de líquidos magnetorreológicos. Este sistema tiene la ventaja de necesitar unirse a la estructura solo por un punto, siendo en general, el de mayor amplitud de oscilación. Su principio de funcionamiento consiste en amortiguar la estructura por medio de la transferencia de energía cinética entre la estructura y el TMD. Un ejemplo de estos sistemas es el instalado recientemente en el segundo edificio masa alto del mundo, el Shanghái Tower, donde un TMD de tipo pendular de 1000 toneladas reduce drásticamente las oscilaciones del rascacielos que experimenta como consecuencia de la acción del viento.
Por tanto, aunque las estructuras vibren, mediante el uso de sistemas de amortiguación como los TMD, siempre es posible “llevarlas el paso” para que oscilen suavemente.
