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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7534| Título : | Experimentos didácticos con láseres pulsados |
| Autor : | VILLAGRAN MUNIZ, MAYO |
| Fecha de publicación : | 2021 |
| Resumen : | Queremos estimular la creatividad de los estudiantes en la solución de problemas de nuestro entorno, con una herramienta atractiva, que son los láseres pulsados de nanosegundos. He participado del equipamiento y propuestas didácticas de los laboratorios de Óptica de la Facultad de Ciencias desde mi llegada a México hace 30 años. Desde ese entonces colaboro con los integrantes de este proyecto diseñando, construyendo y poniendo en operación tres laboratorios en el Tlahuizcalpan y avanzando en las mejoras de la enseñanza de la óptica, los láseres y sus aplicaciones. En ellos se han implementado diversos experimentos didácticos y proyectos de investigación para tesis utilizando equipamiento moderno. En este proyecto quiero volcar mi experiencia en investigación de muchos años de trabajar con láseres pulsados de ns en diversas aplicaciones. Particularmente, en los últimos años me he enfocado en resolver problemas de nuestro entorno que pueden ser muy simples como detectar contaminantes mediante espectroscopia de rompimiento inducida por láser, hasta diseñar un tomógrafo de radiación no ionizante basado en el efecto fotoacústico. Desde hace seis años, participo en la modalidad de laboratorio rotatorio en el curso de Laboratorio de Física Contemporánea II que ha sido una solución a un problema ya que esta materia actuaba como un cuello de botella para que se pudieran recibir los estudiantes, porque el número de experimentos con que cuenta la Facultad es limitado. Al poder utilizar los laboratorios de investigación de Centros e Institutos, el número de experimentos creció, resolviendo el problema. Por un lado, se aumenta el número de experimentos y por el otro, los estudiantes tienen oportunidad de conocer diversos temas de investigación para elegir el trabajo de tesis. En mi experiencia, seis de los estudiantes que hicieron este laboratorio rotativo conmigo, siguieron con su trabajo de tesis en nuestro laboratorio utilizando láseres pulsados. |
| URI : | https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7534 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | VILLAGRAN MUNIZ, MAYO |
| metadata.dcterms.callforproject: | 2021 |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2021-2023 |
| metadata.dcterms.educationLevel: | nivel superior |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura |
| metadata.dc.description.objective: | Objetivo general: Queremos impulsar la Física Experimental dentro de la formación de los estudiantes en la Facultad de Ciencias. Hemos tenido buenos resultados con proyectos que han sido apoyados por el PAPIME y queremos continuar ahora inicialmente apoyando la materia de último semestre Laboratorio de Física Contemporánea II, con prácticas y experimentos basados en un láser pulsado de nanosegundos, que se ha vuelto accesible por su uso masivo, ya que se utiliza para quitar tatuajes. He visto a lo largo de seis años de impartir esta materia como los estudiantes se entusiasman con estos temas que involucra a los láseres ya que proporcionan soluciones a problemas que nos atañen en la vida cotidiana y por esa razón tienen buena prensa. Queremos despertar la creatividad en los alumnos, primero dándoles herramientas modernas como son los láseres y segundo, pidiéndoles que busquen alguna solución a un problema de su entorno. Si llegada la tercera semana, cuando ya se terminó con el entrenamiento y la medida de un parámetro físico y aún no tienen un problema, se les proporcionará alguno del banco de problemas y soluciones que han realizado los estudiantes de este curso trabajando en esta modalidad. El láser que se ha vuelto accesible, es uno de estado sólido que se utiliza para quitar tatuajes, proponemos caracterizarlo durante el primer año en el laboratorio de investigación, donde tenemos todos los elementos para hacerlo. También se preparará el material audiovisual para impartir el curso de manera virtual. En el segundo año se utilizará este láser para las prácticas y para los problemas que sugieran los alumnos. Esto esperemos que podamos hacerlo de manera presencial en la Facultad de Ciencias y si surgen interesados, se podrá construir un láser similar, ya que lo he hecho con anterioridad. Al final de los dos años tendremos al menos un equipo bien caracterizado y varios experimentos funcionando en la Facultad de Ciencias. Objetivos específicos: "Queremos incentivar la Física Experimental durante la formación de los alumnos. Para eso, con la modalidad rotativa del curso de Laboratorio de Física Contemporánea II, proponemos realizar una práctica impactante al inicio, enseñando el uso de un equipo moderno como son este tipo de láseres y después, despertar la creatividad de los alumnos mediante la propuesta de soluciones a un problema de su entorno. En las primeras clases expondré la parte teórica del funcionamiento de los láseres y luego contaré problemas impactantes, donde inteligentemente se han usado láseres pulsados para resolverlos. He visto en los cursos anteriores que las aplicaciones médicas es uno de los temas que más llama la atención y afortunadamente hay muchos ejemplos en que los láseres han jugado un papel preponderante. Desde una intervención ambulante para dejar de roncar, hasta el desarrollo de la Terapia Fotodinámica para el tratamiento de cáncer. Como es poco el tiempo disponible con los estudiantes, la teoría de los láseres si bien se dará formalmente, no se entrará en profundidad, al igual que en las aplicaciones. Lo que buscamos es despertar el interés en esta herramienta que tiene muchas aplicaciones. En el primer año donde planeamos el curso de manera virtual, tendremos material audiovisual que muestra la toma de datos de una práctica específica, que también hemos visto que llama mucho la atención que es la medida de la velocidad de la onda de choque producida por plasmas inducidos por láser que adjunto. Es impactante porque se producen explosiones que hacen ruido en un espacio pequeño (lo hacemos la primera vez con la luz apagada para que los sorprenda), sin electrodos, solo enfocando la luz de un láser y que además la dinámica de la explosión es la misma que la de una explosión nuclear y que previamente, en la teoría se las hemos expuesto. Al menos a los estudiantes de Física les gusta esto de tener una explicación teórica del fenómeno y si además les pedimos medir mediante un método simple como es la deflectometría, que también utiliza un láser, en este caso un láser continuo de HeNe de baja potencia, un parámetro físico del proceso, como es la velocidad de la onda de choque. Los valores obtenidos en cursos anteriores se les entregarán a los estudiantes para que los grafiquen, analicen y saquen sus conclusiones. Cuando los alumnos puedan asistir al laboratorio, que lo hemos planeado para el segundo año de este proyecto, sus medidas aumentarán la base de datos del curso al igual que los problemas que proponen solucionar. En caso de que no propongan problemas, el profesor les dará algunos que han propuesto y en la mayoría de los casos, han resuelto, alumnos de cursos anteriores. La caracterización total del láser es fundamental y eso lo hará un becario del proyecto trabajando en el laboratorio de investigación donde están todos los instrumentos para hacerlo." |
| metadata.dc.description.strategies: | La secuencia temporal de las acciones que llevaremos a cabo en el transcurso del primer año de proyecto, donde hemos supuesto que aún será en forma virtual es la siguiente: Primero, se contará la historia del láser, que abarca desde la propuesta teórica de la emisión estimulada de Albert Einstein en 1917, hasta su construcción práctica el 1960, dentro del contexto político de la guerra fría, donde había un verdadera carrera para construirlo. Luego se dará el formalismo de la teoría de los láseres desde los coeficientes de Einstein y la radiación de cuerpo negro, terminando con los distintos tipos de láseres que hay en el mercado, incluyendo desde los apuntadores hasta los que se usan para los proyectos de fusión nuclear. Se hará especial énfasis en el láser de Nd:YAG que tenemos, su uso para quitar tatuajes y las diferentes variantes para distintos tipos de piel y nos centraremos en simplemente concentrar la luz que emite con una lente. Describiremos el fenómeno que sucede y que es inesperado. En el punto de enfoque de la lente, en el aire, a presión atmosférica, ocurre una explosión que emite luz y un fuerte sonido. Se mostrará el cálculo simple de que el campo eléctrico de la luz, supera la resistencia dieléctrica del aire y por eso se produce inicialmente algo parecido a una chispa eléctrica. Lo interesante es que todo se puede explicar con un modelo de gas hidrodinámico, resolviendo las ecuaciones de Euler y que el modelo explica igualmente este tipo de plasma, hasta la explosión generada por una bomba atómica. Aquí hemos explorado tres variables de experimentos atractivos para que los estudiantes midan con precisión algún parámetro físico: a) Al que me referí anteriormente de la medida de la velocidad de la onda de choque que se produce en el foco de la lente y se expande adiabáticamente a una velocidad mayor que la del sonido. Como aplicación práctica de esta onda de choque, es el endurecimiento de aceros. Es sorprendente que algo tan pequeño, pueda cambiar las propiedades de los materiales duros. b) Analizar la luz emitida por el plasma por un espectrómetro asociado a una computadora. Puede ser la luz que emiten las moléculas, átomos e iones del aire, o si enfocamos la luz sobre un material, veremos las líneas espectrales de ese material, que son como huellas digitales del mismo. Como parámetro a medir, se analizan monedas y se les obtiene el espectro donde la intensidad está asociada a la cantidad de material de la aleación. Como aplicación sorprendente, contaré que a esta técnica se le llama LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) y la usa el robot que está en Marte para analizar las rocas, donde la UNAM es uno de los actores involucrados en esta misión. c) Con estos plasmas hemos simulado relámpagos naturales, discerniendo entre dos teorías que había sobre el lugar donde se producen los óxidos nitrosos, si en el canal de descarga o en los alrededores por la onda de choque. Estos trabajos de investigación fueron publicados hace casi 20 años con el Dr. Mario Molina quien fue quien nos planteó el problema ya que los relámpagos son la fuente natural más importante para la formación de estos óxidos. Como aplicación práctica, se mide como parámetro la energía umbral para generar estos plasmas. Se los produce dentro de una botella cerrada, que al principio es transparente y luego de algunos disparos se torna café por los óxidos nitrosos, que son los que en la CDMX nos reducen la visibilidad, en este caso, óxidos generados por los carros. Lo anterior se realiza en dos semanas, donde los alumnos han aprendido el manejo de los láseres, las normas de seguridad y las potencialidades que tiene esta herramienta. Desde la primer clase, le decimos que van a tener que proponer una solución a un problema de su entorno y si es el caso de que no lo tengan o por falta de interés o porque no se les ocurrió nada, el profesor les proporcionará un problema en los que han experimentado en cursos anteriores. En general menos del 10% de los alumnos no tiene un problema y lo que más ocurre es que los problemas que traen, no tienen solución con este tipo de herramienta. En ese caso, también el profesor les presenta uno, pero ha ocurrido lo más interesante de esta propuesta que es despertar la creatividad, no importa que funcione o no la solución, lo importante es que hayan propuesto algo que a ellos se les ocurrió. La evaluación se realiza con un informe, presentado en forma de trabajo de investigación, con su resumen, introducción, arreglo experimental, resultados, análisis, conclusiones y bibliografía. El segundo año, suponemos que será presencial en la Facultad, donde acudirán los estudiantes y realizarán los experimentos, tanto el obligatorio de medir un parámetro físico como el que propongan. La mecánica del curso será igual, pero con la ventaja de que los alumnos deben de tomar los datos y enfrentarse a los problemas que siempre surgen en el trabajo experimental. |
| metadata.dc.description.goals: | Primer año: Hemos considerado realizar de forma virtual el curso del primer año y para eso hemos realizado videos que explican el funcionamiento de cada instrumento en el experimento de la medida de la velocidad de la onda de choque de plasmas inducidos por láser. Video de láser, quitando la tapa y señalando todas las partes que se explican en la teoría. Video del osciloscopio donde se muestra que el disparo se puede hacer con una salida TTL del láser o mediante la señal de voltaje de un fotodiodo que ve la luz del láser y se explica las diferencias de las entradas de 1 MΩ o de 50 Ω. Video del láser de HeNe y como incide en el fotodiodo que registrará la deflexión, mostrando como se mejora la señal a ruido cuando se interpone un filtro interferencial centrado en 632.8 nm, bloqueando la luz del plasma. También se muestra en el video, como se mejora la visualización de la señal de deflexión cuando nos alejamos del láser para evitar la luz remanente de las lámparas de flash (del propio láser) y del ruido electromagnético. Para alejarnos y permanecer sobre la mesa de trabajo, se usan espejos de primera supervise que alargan la trayectoria del haz. Video de todo el arreglo experimental funcionando, donde la luz de láser de HeNe pasa cerca del plasma y se lo dirige hacia el fotodiodo. Se muestra la señal de deflexión en la pantalla del osciloscopio y se ve cómo se mueve, cuando mueven la montura con tornilla micrométrico que soporta la lente de enfoque de 10 cm. Video que muestra cómo se toman las medidas de distancia en el tornillo micrométrico y tiempo en el osciloscopio. Se presentan las complicaciones que se pueden dar cuando el haz pasa demasiado cerca del plasma, o demasiado lejos donde se disminuye la amplitud de la señal y lo que sucede cuando el haz continuo atraviesa el plasma. Se les proporcionará archivos con la parte teórica del fundamento de los láseres y sus diferentes tipos, haciendo especial énfasis a los láser de Nd:YAG ya que será con uno de ellos con el que trabajaremos. La presentación en Power Point que expone el profesor, también será entregada a los alumnos. Se les proporcionará copia en pdf del manual del láser y una síntesis del encendido y del apagado, resaltando las normas de seguridad, fundamentalmente, la protección a los ojos con los lentes especiales. El experimento es totalmente seguro y la única forma en que se pueden hacer daño, es poniendo el ojo directamente en la salida de láser, pero aun así, lo tendrían que hacer en una posición incómoda. Los estudiantes son advertidos desde el inicio que, si se quitan los lentes de protección, esto se verá reflejado en la evaluación de su informe. Como en el futbol, la primera vez es tarjeta amarilla y la segunda roja, lo que implica una calificación no aprobatoria. Antes de que comiencen con el informe, les contaré que, si bien las medidas de velocidad son supersónicas, no son las correctas porque la expansión es no lineal. Video de la medida de la velocidad de la onda de choque generada por un plasma inducido en aire, medido con un piezoeléctrico que tiene pegado una aguja. De esta forma podemos acercarnos al punto focal de la lente y podemos medir velocidades 4 veces mayores cerca del foco. La parte más importante es el planteamiento del problema de su entorno que del que deben buscar y encontrar una solución usando el equipamiento ofrecido, que ya conocen y usaron en la práctica obligatoria (láseres, osciloscopio, fotodiodos, etc.) El profesor guiará estos planteamientos hacia soluciones accesibles con los láseres. Un becario del proyecto mejorará todos los videos y presentaciones del profesor y los pondrá a disposición de los alumnos. Como trabajará en el Laboratorio de investigación de Fotofísica y Películas Delgadas del ICAT, donde tenemos todos los instrumentos para caracterizar láseres, hará un reporte con todas las características ópticas del puso de salida, incluyendo duración, potencia, estabilidad, número de pulsos, calidad de haz, etc. Ninguna de estas actividades son originales como para una tesis de Licenciatura por lo que paralelamente trabajará en el diseño y construcción de un medidor de energía basado en el efecto fotoacústico, un efecto poco conocido con muchas aplicaciones con el que se trabaja cotidianamente en el laboratorio de investigación. Este tipo de medidores los hemos implementado en varias oportunidades, son baratos y como producto, quedará un medidor de energía para la Facultad. Segundo año: "Este segundo año lo planeamos para llevarse a acabo de manera presencial en los laboratorios de la Facultad de Ciencias, en caso de continuar la emergencia sanitaria, repetiríamos lo del primer año, incrementando el número de problemas y soluciones propuestas por los alumnos en los cursos anteriores. El otro becario de licenciatura incluido en el proyecto, en el caso presencial, trabajará en la implementación de los experimentos básicos (velocidad de la onda de choque, espectroscopía de rompimiento y producción de óxidos nitrosos) en los laboratorios de la Facultad de Ciencia, de manera que quede el equipamiento, con el banco de problemas para que otros profesores los puedan utilizar. Como trabajo original para su tesis de licenciatura, trabajará en la medida de la energía transmitida luego de la formación del plasma en aire. Esta se puede medir fácilmente, pero es necesario darle una explicación física a lo que hemos observado. Si definimos a la energía de rompimiento, como la resta de la energía incidente sobre la lente menos la energía transmitida y la graficamos en función de la energía, encontramos una recta perfecta. Explicar este comportamiento, sería el objetivo de la tesis, para la que tenemos varias hipotesis que debemos corroborar con experimentos y modelos de la formación del plasma y la energía que consume. Es importante resaltar que, en este segundo año, independientemente si continua la emergencia sanitaria o no, en los laboratorios de la Facultad de Ciencias quedará en funcionamiento un equipo, que, si bien originalmente se usa para quitar tatuajes, es un láser moderno que permite realizar muchos trabajos con él. Desde poder mostrar al exponer en la teoría las principales componentes, su funcionamiento, el método de obturación (Q-switch), explicar la razón del abaratamiento reciente, hasta pasar a las aplicaciones, algunas de las cuales se podrán implementar, particularmente, las que propusimos como obligatorias, pero también algunas de las propuestas por los estudiantes. Para esto, en el segundo año, solicitaremos la adquisición de los artículos y materiales necesarios que, durante el primer año, usamos los del laboratorio de investigación. Por ejemplo, para la práctica de LIBS usamos un espectrógrafo con un arreglo lineal de diodos que permite ver a tiempo real los espectros adquiridos, en la Facultad, debemos de acoplar un espectrógrafo aún más grande, por lo que obtendríamos más resolución, pero es necesario calibrarlo en longitud de onda y en intensidad para obtener espectros LIBS confiables. Durante el primer año, haremos un relevamiento de la existencia de estos artículos y accesorios en los laboratorios de óptica de la Facultad y propondremos la compra de los faltantes en la renovación de este proyecto en caso de que sea aprobado. Es bueno que los estudiantes utilicen equipamiento moderno, en general caro y sofisticado que de no ser por esta modalidad sería difícil que lo pudieran usar." |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | El problema fundamental fue no poder comprar el láser para dejarlo en el Laboratorio de Física Contemporánea de la Facultad de Ciencias. Fue solicitado y rechazado los dos años, quizás porque puse que era un láser que se usa para quitar tatuajes. Pero expliqué claramente que esa no era la aplicación que se le iba a dar y que grasias a su uso masivo, se ha abaratado el costo del mismo al 10% de lo que costaba hace 10 años. Tiene un obturados pasivo (Q-swich), que genera varios pulsos de ns al mismo tiempo y no solo uno y controlado, como los que tenemos en los laboratorios de investigación. Pero para muchas aplicaciones modernas, el obturador pasivo no es importante ni limitativo. Como ejemplo, los trabajos de obtención de nanopartículas o los de espectroscopía de plasmas inducidos por láser (LIBS), en los que los estudiantes realizaron las tesis en este proyecto, se podrían replicar en el Laboratorio de Física Contemporánea de la Facultad de Ciencias, accediendo a experimentos de frontera., El primer año, con clases viertuales, además de ser un desafío, ya que realizar experimentos de Física Contemporánea a distancia parecía imposible, comenzamos con videos de experimentos contemporáneos que no dieron buenos resultados, pero al final, realizamos experimentos exitosos con elementos simples y baratos que se podía conseguir en sus casas, basados en el efecto fotoacástico. Con clases presenciales el segundo año, con láseres pulsados de investigación hicimos diferentes experimentos didácticos, como construir láseres aleatorios, medidas de LIBS variando la fluencia y medidas de la velocidad de la onda de choque mediante la técnica de sombras. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | Durante el primer año la materia de Laboratorio de Física Experimental II se impartió en forma virtual. Si bien el primer grupo realizó el experimento propuesto de "la medida de la velocidad de la onda de choque de plasmas producidos por pulsos láser", al que le entregamos videos y escritos como describí en la propuesta original, vimos todos los profesores del curso, que la respuesta fue muy mala, generaba poco interès en los estudiantes y no se realizaba la medida de un paràmetro fìsico. Decidimos entonces cambiar los experimentos, por aquellos que podían realizar en casa, con elementos sencillos y baratos que pudieran conseguir en sus casas o en una farmacia o ferretería, para que pudieran obtener la medida de un parámetro físico con sus errores. Como es una materia del último semestre y debería de ser de Física Contemporánea, se realizaron varios experimentos exitosos basado en el efecto fotoacústico, efecto poco conocido y muy útil para medir parámetros físicos. Lamentablemente, como en ninguno de los dos años fue autorizada la compra del láser pulsado, los experimentos con láseres pulsados se hicieron en el Laboratorio de Fotofísica y Películas Delgadas del ICAT, usando láseres sofisticados y caros. En el Laboratorio de Física Contemporánea no quedó ningún equipo adicional. |
| metadata.dcterms.provenance: | Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT) |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Física |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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