Cómo funciona... la fibra óptica

Comenzamos hoy con una nueva sección llamada "Cómo funciona...". En ella hablaremos de cómo funcionan diferentes aparatos, dispositivos y similares de una manera básica y divulgativa, pero sin faltar a la rigurosidad que requiere la ciencia. Así pues, para esta primera entrada de esta nueva sección hemos elegido la fibra óptica: un invento que este mismo año 2009 uno de sus creadores, Charles K. Kao, ha recibido el premio Nobel de Física; compartiendo el premio con los creadores del sensor CCD que trataremos otro día. Una vez hechas todas las presentaciones vayamos al grano. ¿Cómo funciona la fibra óptica?

Para entender como funciona debemos tener en mente que la fibra óptica no es más que un "cable de luz". En lugar de circular electricidad por su interior lo que "circula" es luz. Obviamente, esta luz no puede entrar de cualquier manera ni los materiales del cable pueden ser de cualquier cosa. Se requieren varias características para lograr que la luz se trasmita de una forma óptima: sin pérdidas y durante más distancia.

Empezaremos hablando de los materiales. La estructura interna de la fibra óptica es muy sencilla. Consta de un núcleo por donde "circulará" la luz y un revestimiento que lo protege del exterior y sirve también de "pared" para que no escape la luz. Esta forma de atrapar la luz funciona sólamente si los materiales tienen una propiedad física perfectamente definida: el índice de refracción.

Jugando con los índices de refracción se consigue que la luz quede atrapada, en un fenómeno conocido como reflexión interna total. Todo lo que tenemos que hacer es conseguir que el índice de refracción del revestimiento sea inferior al del núcleo. De esta forma, a partir de un cierto ángulo de incidencia de la luz en la frontera de ambos medios materiales, ésta se reflejará completamente quedando atrapada en el núcleo. Esta reflexión es perfecta al 100%, consiguiéndose así que no haya absolutamente nada de pérdida de energía.

Vamos a poner un ejemplo con números para que se entienda mejor. Construiremos nuestra fibra óptica imaginaria con un revestimiento de hielo y un nucleo de agua líquida a 20º. Nos vamos a olvidar de toda la termodinámica que impediría que algo así estuviera en equilibrio, porque lo único que nos interesan son los cálculos numéricos que salen de considerar este sistema una fibra óptica. Los índices de refracción de ambos materiales (hielo y agua líquida) son muy similares, siendo 1,309 el del hielo y 1,333 el del agua líquida. Así pues cumplimos que el del revestimiento sea inferior que el del núcleo. Ahora ya sólo nos falta calcular el ángulo al que todo el rayo de luz sufre reflexión interna total.

Aplicando la ley de Snell a nuestros datos se puede calcular que el ángulo límite o crítico a partir del cuál se produce la reflexión total interna es de 79,1º. Por tanto, cualquier ángulo mayor que este (y menor que 90º) provocará que la luz quede atrapada dentro del agua líquida actuando el hielo como una pared que la protege del exterior. Así pues, lanzando la luz con una inclinación de, por ejemplo, 82º ya tenemos nuestra fibra óptica imaginaria construida y operativa.

Espero que os haya servido esta explicación para conocer el funcionamiento de la fibra óptica, así como para entender un par de conceptos básicos sobre óptica. Si no os ha quedado todo claro el fenómeno de la reflexión total interna seguro que el siguiente vídeo os es de mucha ayuda.

Saludos ;)

Nota: Los índices de refracción considerados son para una longitud de onda en amarillo (589nm), una presión de 1bar y una temperatura de 0 ºC para el hielo y 20 ºC para el agua.

Imágenes extraídas de la Wikipedia: 1, 2 y 3.

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