MÓDULO 17

PROPIEDADES ÓPTICAS EN LOS

MATERIALES CERÁMICOS

Tabla. Relación estructura – propiedades (Mari, 1998)

Propiedad Factor estructural

Composición Microestructura Superficie Aditividad

Densidad XX XX - A

Dilatación XX XX - A

Capacidad calorífica XX X - A

Conductividad térmica XX XX - -

Indice de refracción XX XX - A

Transmisión de radiación XX X - -

Color XX X X -

Conductividad eléctrica X X X -

Paramagnetismo X XX - A

Propiedades mecánicas - X XX -

Resistencia al ataque

químico

X - X -

XX: Alta sensibilidad del valor de la propiedad frente al factor estructural indicado

X: Una sensibilidad moderada

-: Sensibilidad casi nulaA: Indica que la propiedad puede ser calculada aditivamente, en forma apróximada

PROPIEDADES ÔPTICAS EN LOS MATERIALES CERÁMICOS

Interacción entre energía radiante y la materia: Cuerpos tr ansparentes ycuerpos opacos.También existen cuerpos traslúcidos.

Propiedades ópticas particulares

REFRACCIÓN: n= v vacio/ Vmaterial = senααααi/senααααr

Cambio de camino óptico

Se debe al interacción de una radiación con los electrones má s externosde los átomos del material.

Cerámicas policristalinas: opacas, las interfases frenan la propagacióninterna.

La luz se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, sinembargo, cuando se propaga por cualquier otro medio, lavelocidad es menor, la relación de estas velocidades seconoce como índice de refracción.

ÍNDICE DE REFRACCIÓN

materialluzvel

vacíoluzveln

.

.=

Cuando la luz pasa de un medio a otro sufre efectos dereflexión y de refracción, disminuyendo su velocidad detransmisión.

ÍNDICE DE REFRACCIÓN

La anisotropia tiene gran influencia, la luz varia con la dirección de la propagación : doble refracción o birrefringencia.

Monocristales que no son del sistema cúbico: birrefringentes

Materiales policristalinos: pueden tener comportamiento isótropos, por la orientación al azar.

Vidrios: Birrefringencia cuando hay tensiones internas

La transmisión, absorción o reflexión varían con la longitud de onda

El color

� Su definición se hace con coordenadas tricomátricas

- La claridad: Blanco – Negro- Tono: Color predominante- Saturación: Se relaciona con el brillo

Brillante a opaco

FIBRA ÓPTICA

La fibra óptica es un medio de transmisión quepermite transportar energía eléctrica convertida enluz a través de grandes distancias, con un ancho debanda grande, totalmente independiente del tamañodel cable, con baja atenuación, con interferenciasdespreciables frente a campos electromagnéticos.

FIBRA ÓPTICA

FIBRA ÓPTICA

El núcleo es fabricado de vidrio de alta pureza yalto índice de refracción, de tal forma que la luzviaja por el interior de esta.

PRINCIPIO DE TRANSMISIÓN DE LA FIBRA ÓPTICA

Los efectos de reflexión y refracción que se dan en la frontera entredos medios dependen de sus índices de refracción.

Cuando dos materiales que se encuentran en contacto poseendiferencias significativas en sus índices de refracción, la mayorparte de los haces de luz que inciden sobre la superficie de mayoríndice sufren refracción, esto es aprovechado para la fabricación defibras ópticas y espejos.

La capa intermedia de la fibra de vidrio posee uníndice de refracción bajo, con el fin de confinar laluz en el núcleo. Adicionalmente proteje el núcleode rayaduras.

La capa externa es fabricada con un materialpolimérico, cuya función es proteger el conjunto deldeterioro mecánico.

FIBRA ÓPTICA

La fibra óptica es una material o dispositivotricapa.

FIBRA ÓPTICA

El núcleo tiene un índice de refracciónsignificativamente mayor que el cladding, ya queel núcleo es dopado con una pequeña cantidadcontrolada de impurezas que hacen que la luzviaje lentamente.

FIBRA ÓPTICA

El Ge es uno de los elementos más utilizadospara dopar fibras de SiO2 pura, por la cantidadtotal de electrones.

FIBRA ÓPTICA

Debido a que el índice de refracción delnúcleo es mayor que el del cladding, laluz viaja por el interior del núcleo porreflexiones en la interfase entre el núcleoy el cladding de la fibra.

FABRICACIÓN DE LA FIBRA ÓPTICA

El vidrio de SiO2 pura para fibra óptica esformado por reacción del tetracloruro desilicio(SiCl4) gaseoso, con oxígeno (O2).

El Ge utilizado como dopante es introducidocomo tetracloruro de Germanio (GeCl4)gaseoso, durante el proceso de fabricaciónde la fibra mediante técnicas devaporización.

FABRICACIÓN DE LA FIBRA ÓPTICA

SiCl4

+ O2

----------> SiO2

+ 2 Cl2

La reflexión de la luz en el interior de lafibra es tan buena como el grado de purezadel núcleo, el desarrollo de técnicas deproducción de vidrio con alto control de lacomposición ha hecho posible que la luzviaje largas distancias con pérdidas de laintensidad casi despreciables.

FABRICACIÓN DE LA FIBRA ÓPTICA

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TIPOS DE FIBRA ÓPTICA

De acuerdo con la forma de fabricación,las fibras ópticas se clasifican en:

• Fibras Multimodo

• Fibras Monomodo

TIPOS DE FIBRA ÓPTICA

FIBRAS MONOMODO: El núcleo de este tipo defibras es muy pequeño, permitiendo laincidencia de rayos de luz en un único ángulo.Su fabricación es compleja.

FIBRAS MULTIMODO: El núcleo de este tipo de fibrases relativamente grande, permitiendo la incidencia derayos de luz en varios ángulos. Son más fáciles defabricar que las fibras monomodo.

• Resistencia a la tensión: 100,000 lb/in2

•Perfil del Indice de Refracción: determina laapertura numérica de las onda reflejadas.

•Geometría de la Fibra: Dimensiones del núcleo, delcladding y del revestimiento, así como launiformidad.

•Atenuación: Degradación de las señales lumínicas através de la longitud de la fibra.

PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN REALIZADAS A LA FIBRA ÓPTICA

• Capacidad de transporte: ancho de banda – númerode señales que puede transportar por unidad detiempo (para fibras multimodo).

• Dispersión Cromática: Esparcimiento de múltiplesondas lumínicas de diferente longitud de onda através del núcleo (importante para el ancho debanda.

• Temperatura Máxima de Operación/ Rango deHumedad.

• Habilidad para conducir bajo el agua.

PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN REALIZADAS A LA FIBRA ÓPTICA

BIBLIOGRAFIA

1. MARI, E. 1998. Los materiales cerámicos. Alsina, Buenos Aires. 378 p

2. VAN VLACK. 1964. Physical ceramics for Engineers. Adison-Wrsley,

London. 342 p.

3. SMITH, W. 2004. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales.

Ed. Tercera. Mc Graw Hill, España. 569 p.

4. MARI, E. Los materiales cerámicos: aplicaciones estructurales, funcionales

y artísticas. Primera edición, 2001. Buenos Aires. 90 p.

5. Notas profesor Fabio Vargas, 2005.