1.4 Reflexión interna total

Fibra óptica: Desde endoscopios hasta teléfonos

La fibra óptica es una de las aplicaciones de la reflexión interna total más utilizadas. En el ámbito de las comunicaciones, se utiliza para transmitir señales de teléfono, internet y televisión por cable. Lafibra óptica emplea la transmisión de luz a través de fibras de plástico o de vidrio. Como las fibras son delgadas, es probable que la luz que entra en una de ellas incida en la superficie interior con un ángulo mayor que el ángulo crítico y, por tanto, se refleje totalmente. Consulte la (Figura 1.15). El índice de refracción fuera de la fibra debe ser menor que dentro de ella. De hecho, la mayoría de las fibras tienen un índice de refracción variable para permitir que se guíe más luz a lo largo de la fibra mediante la refracción interna total. Los rayos se reflejan alrededor de las esquinas, como se muestra, convirtiendo las fibras en pequeños tubos de luz.

Figura 1.15 La luz que entra en una fibra óptica delgada puede incidir en la superficie interior con ángulos grandes o de roce, lo que causa que esta se refleje completamente si estos ángulos superan el ángulo crítico. Dichos rayos continúan por la fibra, incluso siguiéndola por las esquinas, dado que los ángulos de reflexión e incidencia siguen siendo grandes.

Se pueden utilizar grupos unidos de fibras para transmitir una imagen sin necesidad de una lente, como se ilustra en la Figura 1.16. En la Figura 1.16(b) se muestra la imagen resultante de un dispositivo llamado endoscopio. Los endoscopios se utilizan para explorar el interior del cuerpo a través de sus orificios naturales o de pequeñas incisiones. La luz se transmite por grupos unidos de fibras para iluminar las partes internas, y la luz reflejada se transmite de nuevo a través de otro grupo unido para ser observada.

Figura 1.16 (a) Un grupo unido de fibras ópticas transmite una imagen "A". (b) Un endoscopio se utiliza para explorar el cuerpo, al transmitir luz al interior y devolver una imagen como la que se muestra de una epiglotis humana (una estructura en la base de la lengua). (crédito b: modificación del trabajo de "Med_Chaos"/Wikimedia Commons)

La fibra óptica ha revolucionado las técnicas quirúrgicas y las observaciones en el interior del cuerpo, con multitud de usos médicos de diagnóstico y terapéuticos. Se puede realizar una intervención quirúrgica, como la cirugía artroscópica en una articulación de la rodilla o del hombro, empleando herramientas de corte acopladas y observadas con el endoscopio. También se pueden obtener muestras como, por ejemplo, al realizar una polipectomía endoscópica con asa para su examen externo. La flexibilidad del grupo unido de fibras ópticas permite a los médicos desplazarlas por regiones del cuerpo pequeñas y de difícil acceso, como los intestinos, el corazón, los vasos sanguíneos y las articulaciones. Se han convertido en procedimientos habituales la transmisión de un intenso rayo láser para quemar las placas que obstruyen las arterias principales, así como la irradiación de luz para activar los medicamentos de quimioterapia. De hecho, las fibras ópticas han permitido la microcirugía y la cirugía a distancia, en las que las incisiones son pequeñas y los dedos del cirujano no necesitan tocar el tejido enfermo.

Los grupos unidos de fibras ópticas están recubiertos de un material de revestimiento que tiene un índice de refracción inferior al del núcleo (Figura 1.17). El revestimiento impide que la luz se transmita entre el grupo unido de fibras. Sin el revestimiento, la luz podría pasar entre las fibras que están en contacto, dado que sus índices de refracción son idénticos. Dado que no entra luz en el revestimiento (hay una reflexión interna total hacia el núcleo), no se puede transmitir ninguna luz entre las fibras revestidas que están en contacto entre sí. Por el contrario, la luz se propaga a lo largo de la fibra, minimizando la pérdida de señal y asegurando que se forme una imagen de calidad en el otro extremo. El revestimiento y una capa protectora adicional hacen que las fibras ópticas sean duraderas y flexibles.

Figura 1.17 Las fibras de los grupos unidos están revestidas por un material que tiene un índice de refracción inferior al del núcleo para garantizar una reflexión interna total, incluso cuando las fibras están en contacto entre sí.

Se han diseñado y fabricado pequeñas lentes especiales que pueden fijarse a los extremos de los grupos unidos de fibras. La luz que emerge de un grupo unido de fibras puede enfocarse a través de una lente de este tipo, obteniendo imágenes de un punto diminuto. En algunos casos, se puede escanear el punto, lo que permite obtener imágenes de calidad de una región del interior del cuerpo. Los diminutos filtros ópticos especiales insertados en el extremo del grupo unido de fibras tienen la capacidad de obtener imágenes del interior de los órganos situados a decenas de micras por debajo de la superficie, sin necesidad de cortarla, lo que se conoce como diagnóstico no intrusivo. Esto es particularmente útil para determinar la extensión de los cánceres del estómago y del intestino.

En otro tipo de aplicaciones, las fibras ópticas se utilizan habitualmente para transmitir señales para conversaciones telefónicas y comunicaciones por internet. Se han colocado extensos cables de fibra óptica en el fondo del océano y bajo tierra para permitir las comunicaciones ópticas. Los sistemas de comunicación por fibra óptica ofrecen varias ventajas respecto a los sistemas eléctricos (de cobre), sobre todo para las largas distancias. Las fibras pueden hacerse tan transparentes que la luz puede viajar muchos kilómetros antes de volverse lo suficientemente tenue como para requerir amplificación, algo muy superior a los conductores de cobre. Esta propiedad de las fibras ópticas se llama baja pérdida. Los láseres emiten luz con características que permiten muchas más conversaciones en una fibra que las que son posibles con las señales eléctricas en un solo conductor. Esta propiedad de las fibras ópticas se denomina ancho de banda elevado. Las señales ópticas en una fibra no producen efectos indeseables en otras fibras adyacentes. Esta propiedad de las fibras ópticas se denomina diafonía reducida. En un capítulo posterior exploraremos las características únicas de la radiación láser.

Reflectores de esquina y diamantes

Los reflectores de esquina (la ley de reflexión) son perfectamente eficaces cuando se cumplen las condiciones de la reflexión interna total. Con los materiales habituales, es fácil obtener un ángulo crítico inferior a $45\text{°}.$ Un uso de estos espejos perfectos es en los binoculares, como se muestra en la Figura 1.18. También se utiliza en los periscopios de los submarinos.

Figura 1.18 Estos binoculares emplean reflectores de esquina (prismas) con reflexión interna total para hacer llegar la luz a los ojos del observador.

La reflexión interna total, junto con un gran índice de refracción, explica por qué los diamantes brillan más que otros materiales. El ángulo crítico para una superficie diamante-aire es de solo $\mathrm{24,4}\text{°}$, por lo que cuando la luz entra en un diamante, le cuesta volver a salir (Figura 1.19). Aunque la luz entra libremente en el diamante, solo puede salir si forma un ángulo inferior a $\mathrm{24,4}\text{°}$. Las facetas de los diamantes están pensadas específicamente para que esto sea poco probable. Los buenos diamantes son muy claros, por lo que la luz hace muchos reflejos internos y se concentra antes de salir, de ahí el brillo. (El circón es una piedra preciosa natural que tiene un índice de refracción excepcionalmente grande, pero no es tan grande como el diamante, por lo que no es tan preciado. Se fabrica circonio cúbico que tiene un índice de refracción aún mayor $\left(\text{≈}\mathrm{2,17}\right)$, pero sigue siendo menor que la del diamante). Los colores que se ven salir de un diamante claro no se deben al color del diamante, que suele ser casi incoloro. Los colores son el resultado de la dispersión, de la que hablamos en la sección Dispersión. Los diamantes coloreados obtienen su color a partir de defectos estructurales de la red cristalina y de la inclusión de cantidades mínimas de grafito y otros materiales. La mina de Argyle, en Australia Occidental, produce alrededor del 90% de los diamantes rosas, rojos, champán y coñac del mundo, mientras que alrededor del 50% de los diamantes claros del mundo proceden del centro y sur de África.

Figura 1.19 La luz no puede escapar fácilmente de un diamante, porque su ángulo crítico con el aire es muy pequeño. La mayoría de los reflejos son totales, y las facetas están colocadas de forma que la luz solo pueda salir por determinadas vías, concentrando así la luz y haciendo que el diamante brille con fuerza.