Día Internacional de la Fotónica

Cada 21 de octubre se celebra el día internacional de la Fotónica, para conmemorar la adopción del valor 299,792.458 km/s como la medida estándar para la velocidad de la luz en el vacío, realizada en  la  Conferencia General de Pesos y Medidas de París en 1983.  ¡Qué bien! ¡Mirá vos! Pero mejor vamos despacio...

La Óptica es una rama de la Física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz,  cómo interactúa la misma con la materia macroscópica  y cómo los instrumentos pueden usar la luz o detectarla, incluyendo la visión y la percepción. Si bien la descripción de los fenómenos ópticos fundamentales se remonta hace más de mil años por los trabajos de Hasan Ibn al-Haytham (conocido también como Alhazen), su estudio fue profundizado más tarde por el astrónomo neerlandés Willebrord Snel van Royen (alias Snell),  Christian Huygens (también neerlandés), Isaac Newton, Agustín Fresnel y Gustav Kirchhoff (entre muchos otros).  Fue justamente Newton quien demostró que la luz natural está formada por distintos colores (los del arcoiris, por ejemplo) haciendo pasar un fino haz de luz solar por un prisma de vidrio y observando sobre una pantalla el despliegue del “espectro” de colores. Dicho sea de paso, este es el principio de funcionamiento de los llamados “espectrógrafos”, aunque los modernos no usen prismas de vidrio sino otros dispositivos de mayor resolución.   Pero hubo que esperar hasta fines del siglo XIX para que, gracias a los trabajos teóricos y experimentales de James Maxwell y Heinrich Hertz respectivamente, se reconociera a la luz como parte del llamado espectro electromagnético, que incluye otras formas de radiación como las ondas de radio, microondas, rayos X, etc. Todas estas ondas se diferencian por su longitud de onda (o por su frecuencia) y exhiben propiedades ondulatorias similares, siendo la más conspicua que su velocidad de propagación es la misma para todas e igual a la velocidad de la luz.

En los albores del siglo XX se comienza a ver que los dos aspectos generales de los objetos físicos, las partículas y las ondas, poseen características típicas uno del otro: las partículas tienen propiedades ondulatorias y las ondas tienen propiedades corpusculares. Esta es la base de lo que se llamaría Física Cuántica. Así, la característica corpuscular de la luz (y de las ondas electromagnéticas en general) se manifiesta como una unidad fundamental de energía (una especia de “paquete” de energía) que, al interactuar con la materia, lo hace en forma de partícula y se le ha dado el nombre de “fotón”. El nombre de este “cuanto” de luz es el que dará lugar a la palabra “Fotónica”, para designar la generación, detección, transmisión y manipulación de la luz en situaciones donde su naturaleza de partícula, el fotón, es esencial.

La palabra Fotónica remite a otra vieja palabra conocida, la Electrónica. Y en verdad puede establecerse un cierto paralelismo, ya que ambas especialidades se basan en la implementación práctica de las propiedades y características de esa unidad fundamental (o “cuanto”) de una propiedad física: el electrón en la segunda y el fotón en la primera.  Los estudios y aplicaciones de la Fotónica han sido impulsados (y en muchos casos generados) por la aparición en 1960 de una fuente de luz muy particular, que todos conocemos: el láser. Este dispositivo es capaz de emitir luz con características especiales de monocromaticidad, direccionalidad, coherencia, potencia, sintonía de longitud de onda (color) de salida, en modo de emisión continua o pulsada, de duración extremadamente corta. Los fenómenos que surgen de la interacción del láser con la materia se entienden a su vez en base al estudio de la interacción de los fotones del láser con los átomos o moléculas que forman la materia. Así, desde su primer funcionamiento exitoso a comienzos de la década de 1960, se desató un “tsunami” de investigaciones y aplicaciones en esta temática que dió lugar, entre otras cosas, al otorgamiento de 18 premios Nobel en Física relacionados al área de la Fotónica.  Hoy en día prácticamente no se concibe universidad o centros de investigación que no tengan un grupo, laboratorio o instituto dedicado a la Óptica y la Fotónica.

Es interesante señalar que esta rama de la ciencia, que en ocasiones puede sonar aislada y ajena a nuestra vida cotidiana, se encuentra más cerca de lo que creemos. La Fotónica ha demostrado poseer una flexibilidad innata que le permite una inserción transversal en la mayor parte de las actividades de nuestras actividades. Es este tipo de “inserción silenciosa” es la que tal vez impide darnos cuenta de la importancia de la Fotónica en dispositivos de uso diario. Ejemplos típicos son los teléfonos celulares, equipos de cómputo, controles remotos de TV, luces LED para iluminación ambiental, entre otros. En el  área de tecnología médica, podemos mencionar endoscopios, cirugía ocular  láser, oxímetros digitales, citómetros para conteo de células.  Equipos de corte, grabado y mecanizado por láser en la industria manufacturera o espectáculos con láser y efectos holográficos en el mundo del entretenimiento.  Y con respecto al teléfono celular mencionado, es interesante ver cómo  incluye varios aditamentos basados en Fotónica : el display LCD, la cámara de fotos, los LED de la linterna, entre otros. Es posible adicionar un mini-espectrógrafo a la cámara y, con una app adecuada, convertirlo en un instrumento de medición de parámetros ambientales como por ejemplo contaminantes gaseosos, material particulado y otros. Se puede pensar en una red de ciudadanos que en diferentes puntos de la ciudad realicen una dada medición con su celular y la envíen a un centro de datos para conformar un mapa on-line de una situación particular de contaminación.

En áreas más específicas pero no menos involucradas con la realidad en la que todos nos encontramos inmersos, se pueden mencionar:

• Tecnología aeroespacial: Sistemas LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) y altímetros láser, equipos para prueba y análisis de aeronaves, pantallas de visualización holográficas y de reconocimiento óptico de patrones de la navegación.
• Agricultura: Sensores satelitales para detectar efectos de cultivos a gran escala. Escaneo e imágenes infrarrojas que monitorean la producción y calidad de los alimentos, así como sistemas de sensores para siembra e hidratación (agricultura de precisión).
• Biomedicina: En el sector médico se la utiliza en terapia fotodinámica, indicadores de salud mediante dispositivos ópticos para medir las pulsaciones, oxígeno en sangre o monitores de glucosa no invasivos.
• Construcción: Escaneo topográfico, medición y alineación de distancias con láser y análisis tridimensional para rastrear el progreso de la construcción.
• Ingeniería y nanotecnología: Láseres en la fabricación de dispositivos eléctricos, motores, chips semiconductores, circuitos y computadoras.
• Tecnología medioambiental: Dispositivos fotovoltaicos o espectroscopios de absorción óptica ultravioleta (UV-DOAS) para controlar la calidad del aire.
• Tecnología de la información: Ópticas para el almacenamiento y conmutación de datos.
• Seguridad: escaneo de ADN, análisis forense con láser, escaneo de retina, identificación de sustancias peligrosas, vigilancia óptica.
• Sistema de vigilancia de incendios: nuestro país posee grandes extensiones de bosques y sembradíos que son propensos a eventos de incendios que resultan incontrolables una vez desatados. Los incendios que ocurren en Patagonia, Córdoba, Corrientes y otras provincias así lo demuestran. Resulta imprescindible contar con un sistema de alerta temprana que permita una rápida y eficaz acción de los grupos de apagado y socorro. En este sentido, es posible implementar una red de sensado óptico con capacidad de monitorear en el visible e IR cercano en 360° y detectar humo o spots de mayor temperatura para dar alarma temprana.

Dentro de este panorama general, desde su creación en 1977, el CIOp ha cultivado varias líneas dentro de la Fotónica, como física y aplicaciones del láser en ciencia e ingeniería, espectroscopía UV-visible-IR , procesamiento optodigital de imágenes, imágenes 3D, fotónica integrada, láseres para cortes de piezas industriales, fibras ópticas para comunicaciones y sensado. En cada una de estas líneas se han desarrollado aplicaciones como análisis elemental de muestras sólidas y líquidas por espectroscopía láser, encriptación óptica de información, turbulencia atmosférica, fotoquímica para detección de contaminantes emergentes, imágenes 3D para piezas de museo, dispositivos “point of care” basados en fotónica integrada, giróscopos láser basados en fibras ópticas a bordo de los satélites  Acquarius y SAC D , y sensores de fibra óptica para salud estructural de obras civiles, entre otros

El mercado global de productos fotónicos superó en 2020 los 600.000 millones de dólares, indicando claramente que esta especialidad de la Física ha salido del ámbito puramente académico y entrado en el sistema económico con gran fuerza, impulsando la creación de empresas tecnológicas que basan sus productos no solamente en las crecientes aplicaciones de la Fotónica sino también en los continuos desarrollos que se llevan a cabo en universidades e institutos científicos.

En base a todas estas consideraciones, se  reconoce a la Fotónica como la ciencia que está moldeando el presente y el futuro del siglo XXI,  pues aún no se ha determinado un límite para sus aplicaciones. De esta forma, cobra sentido la importancia de celebrar sus aportes y es por ello que el Día Internacional de la Fotónica se ha convertido en un evento anual que promueve a nivel global su acercamiento al público en general.

INDUSTRIAS FOTÓNICAS

Las industrias relacionadas con la Fotónica son extremadamente diversas ya que las tecnologías basadas en la luz tienen una gran prevalencia en la vida moderna. Sus principales aplicaciones suelen agruparse en 6 áreas o nodos:

1. Sistemas de imágenes y sensores

Incluye la captura y procesado optodigital de imágenes 2D y 3D para medicina, seguridad, producción, entre otras. También incluye el desarrollo de dispositivos de medición de magnitudes físicas específicas por medios ópticos y espectroscópicos.

2. Información, comunicación y redes

Este nodo incluye principalmente aquellas tecnologías fotónicas emparentadas con la transmisión de datos de alta velocidad por redes de fibra óptica. Típicamente incluyen fibras dopadas con tierras raras, microláseres para transmisión, fotodiodos para detección y dispositivos de ruteo.

3. Pantallas y displays

Elementos críticos para presentaciones y visualización de información tanto a nivel de negocios, empresas, academia o entretenimiento. Se utilizan en dispositivos de telefonía  móvil, monitores de PC, televisión o pantallas gigantes de publicidad. El LED es el elemento fundamental, con variantes específicas para cada aplicación.

4. Iluminación

Aquí, la pieza fundamental es el LED (diodo emisor de luz), tanto para usos de iluminación doméstica (baja potencia) como para faros de automóvil o iluminación pública (alta potencia), tanto en versiones  RGB como LEDs blancos. También incluye LEDs especiales para aplicaciones médicas como terapia fotodinámica en tratamientos oncológicos o iluminación en salas de quirófanos.

5. Sistemas de energía fotónica

Este nodo incluye la tecnología fotovoltaica para conversión de energía solar a energía eléctrica, donde el dispositivo básico es la fotocelda de silicio. También se incluye la tecnología más avanzada y específica para generar fusión controlada con láser.

6. Sistemas láser

Los sistemas láser han probado ser una tecnología posibilitadora en un amplio rango de campos. Los láseres poseen una gran variación en cuanto a potencia, longitud de onda de emisión y características de salida, que los hace ubicuos en variadas aplicaciones  desde corte de piezas de gran porte y soldaduras hasta lectores de código de barras. También son accesibles con variados formatos que les permiten integrarse a instrumentación de mayor complejidad y alta prestación.

CARRERAS ACADÉMICAS

El reconocimiento del rápido desarrollo de la Fotónica  y su capacidad de aplicaciones transversales a variados campos de la ciencia y la tecnología, ha llevado a la academia a implementar la especialidad de Ingeniero Fotónico.  Estos especialistas trabajan en la intersección de la Ingeniería y la Física, enfocándose en la generación, manipulación y detección de luz en diversas formas, incluidos láseres, óptica y fibra óptica. Los ingenieros en fotónica desarrollan tecnologías que aprovechan las propiedades únicas de la luz para aplicaciones como telecomunicaciones, imágenes médicas, sensores y procesos de fabricación.  A menudo colaboran con equipos multidisciplinarios para el desarrollo e  implementación práctica de innovaciones que generen un cambio radical en las capacidades de una industria o de usuarios generales. Si bien en nuestro país no existe una carrera de Ingeniero Fotónico, existen especializaciones o maestrías en las principales universidades de la región (Facultad de Ingeniería de la UBA (FIUBA), Facultad de Ciencias Exactas - UNLP, UTN Facultad Regional Delta FRD).

A nivel mundial se reconocen distintas especialidades:

• Los ingenieros ópticos se especializan en el diseño y desarrollo de sistemas ópticos, incluidos componentes como lentes, espejos y fuentes de luz. Crean soluciones innovadoras para aplicaciones que van desde dispositivos de imágenes y telecomunicaciones hasta láseres e instrumentos de precisión.
• Los ingenieros láser se especializan en el diseño, desarrollo y optimización de sistemas láser, que producen haces de luz enfocados y coherentes. Crean y mejoran tecnologías láser para una amplia gama de aplicaciones, incluidas comunicaciones, tratamientos médicos, procesamiento de materiales e investigación científica.
• Los ingenieros de fibra óptica se centran en el diseño, implementación y optimización de sistemas de comunicación de fibra óptica. Trabajan en el desarrollo de tecnologías de transmisión de datos de alta velocidad y garantizan la eficiencia de las redes ópticas.
• Los ingenieros de fotónica integrada trabajan en fotónica integrada, diseñando y desarrollando dispositivos que integran múltiples componentes fotónicos en un solo chip. Este campo es esencial para crear sistemas ópticos compactos y eficientes.
• Los ingenieros de óptica cuántica participan en investigación y desarrollo relacionados con la óptica cuántica, explorando aplicaciones en comunicación cuántica, computación cuántica y otras áreas emergentes que aprovechan los fenómenos cuánticos para el procesamiento de información.
• Los ingenieros en biofotónica aplican tecnologías fotónicas al campo de la biología y la medicina. Trabajan en el desarrollo de técnicas ópticas para imagen, diagnóstico y aplicaciones terapéuticas en el ámbito sanitario.
• Los ingenieros de materiales fotónicos se centran en el desarrollo y caracterización de materiales utilizados en dispositivos fotónicos. Esto puede incluir la investigación de nuevos materiales con propiedades ópticas específicas o la optimización de materiales existentes para diversas aplicaciones.
• Los ingenieros de sensores e imágenes se centran en el desarrollo de sensores ópticos y sistemas de imágenes para aplicaciones como inspección industrial, monitoreo ambiental o imágenes médicas. Trabajan para mejorar la sensibilidad y resolución de las tecnologías de sensores ópticos.

Agradecemos al Dr. Daniel Schinca, investigador jubilado del CIOp, por la elaboración de este texto que nos invita a reflexionar sobre la importancia y el potencial de la Fotónica en la ciencia, la tecnología y en la vida cotidiana.

Referencias:

- Rudiger Paschotta: https://www.rp-photonics.com/encyclopedia.html
- Seminario interno CIOp: Impacto de la Fotónica, Dr. Gabriel Bilmes, 2021
- SPIE Technical Application Notes: Photonics. SPIE SPECTARIS 2016
- Wikipedia: La Fotónica en nuestras vidas. https://www.euskampus.eus/es/actualidad/fotonica-nuestras-vidas-16-mayo-dia-internacional-luz
- Wikipedia: La Fotónica y sus aplicaciones en el diario vivir. https://iluminet.com/fotonica-aplicaciones-en-el-diario