Física (plan 2002) 2020-1

Octavo Semestre, Laboratorio de Física Contemporánea I

Practica de laboratorio rotativo: Fabricación y caracterización de una guía de onda polimerica

• Área en la que se inserta

  • Óptica, Física de materiales, Técnicas especiales.

• Lugar en donde se desarrollará

  • Taller de óptica láser, Facultad de Ciencias.

• Número de estudiantes que pueden realizarla simultáneamente:

  • 3

• Descripción de las habilidades y conocimientos que adquirirán los estudiantes con su desarrollo:

  • Los estudiantes adquirirán conocimiento sobre técnicas actuales de manipulación de las propiedades ópticas y mecánicas de materiales (polímeros), recordarán de sus clases de óptica el principio físico de funcionamiento de una guía de onda y cuales son los parámetros importantes en su caracterización así como en el manejo de instrumentación óptica que permite la manipulación de estos dispositivos ópticos (láser, acopladores ópticos, potenciómetros ópticos, fotodetectores, plataformas y monturas ópticas). Adquirirán habilidades en la adquisición, manejo y análisis de datos, útil en la física experimental y finalmente los estudiantes diseñarán y producirán su propia guía de onda de polidimetilsiloxano (PDMS) misma que caracterizan (absorción, atenuación óptica, dimensiones, apertura numérica, patrones de speckle)

• Objetivos:

  • Por medio de técnicas actuales de microfabricación, diseñar, producir y caracterizar una guía de onda de polidimetilsiloxano.

• Introducción

  • A través de la historia, desde el punto de vista de la óptica de rayos, la luz es transmitida desde un lugar a otro utilizando diversas clases de arreglos ópticos. Si se supone un haz colimado, usando diversas clases de lentes y espejos se puede “elegir” la trayectoria que el haz luminoso ha de seguir. Sin embargo, los componentes ópticos empleados son estorbosos y grandes, por lo que algún objeto puede interferir en la trayectoria del haz. Por ello en algunas circunstancias la mejor opción para “dirigir” la trayectoria de un haz es usar el propio medio (dieléctrico) de propagación,. A la tecnología que surge de este acto se le conoce como guías de onda.
    El concepto de guiar la luz en un dieléctrico estrecho se conoce desde hace tiempo, John Tyndall (1870) demostró que un fino flujo de agua podía contener y guiar la luz. Poco después se utilizaron otros materiales como fibra de vidrio, pero no fue hasta la década de 1950 que comenzaron los primeros estudios serios sobre materiales para la fabricación de guías de onda y en la década de los 60’s con la invención del L.A.S.E.R. se apreció el potencial de esta tecnología al utilizar la luz en lugar de las corrientes eléctricas para transmitir información. Las guías de onda que propagan y confinan la luz en un dieléctrico se denominan guías de onda clásicas y funcionan mediante reflexión total interna (RTI).

• Metodología y resumen del desarrollo:

El método propuesto consta de las siguientes etapas:

• Diseño del patrón geométrico de guiado por software.(3 hrs)

El estudiante hará un repaso de las características físicas que rigen las guías de onda .(índice de refracción, ángulo de aceptancia, reflexión total interna y el coeficiente de atenuación) con las que propondrá un patrón geométrico de guiado

• Transferencia por grabado láser del patrón en un sustrato plano de acrílico (molde maestro)

Por cuestiones de tiempo se les proporcionará el model maestro

• Transferencia del diseño en PDMS (polidimetilsiloxano) proceso molde-réplica. (6hrs)

Utilizando una técnica de la litografía suave que consiste en replicar un patrón geométrico de un molde rígido con un polímero los estudiantes producirán su propia guía de onda.

• Diseñar y montar su estación de prueba (3 hrs)

Los alumnos montarán un arreglo óptico donde acoplaron un láser a una fibra óptica monomodal

• Caracterización de la guía de onda en PDMS (6hrs)

Se acoplará la fibra óptica a la guía de onda de PDMS para realizar pruebas de guiado y calcular su atenuación (utilizarán un fotodiodo y un potenciómetro óptico)

• Lista de material y equipo a utilizar

  • Polidimetilsiloxano (PDMS)

  • Molde de acrílico (PMMA)

  • Bata

  • Guantes

  • Láser (635 nm)

  • Fibra óptica monomodal (637 nm)

  • Cortador de fibra óptica

  • Objetivo de microscopio (20X)

  • Plataformas ópticas de 3 ejes

  • Potenciómetro óptico

  • Fotodiodo

  • Monturas ópticas (postes, bases, etc)

  • Parrilla

• Bibliografía

[1]Hetch Eugine, Óptica, ADDISON-WESLEY, 1999.

[2]Daniel Pérez-Calixto, Diego Zamarrón-Hernández, Aarón Cruz-Ramírez, Mathieu Hautefeuille, Juan Hernández-Cordero, Victor Velázquez, Marcela Grether. “Fabrication of large all-PDMS micropatterned waveguides for lab on chip integration using a rapid prototyping technique”, Optical Materials Express, Volumen 7, Issue 4, 1343-1350 (2017)

[3]Ziliang Cai, Weiping Qiu, Guocheng Shao, Wanjun Wang, A new fabrication method for all-PDMS waveguides, Ziliang, Sensors and Actuators A 20 44– 47, (2013).