Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 2 (2): 58-65 Abril-Junio 2019 https://doi.org/10.37636/recit.v225865
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ISSN: 2594-1925
Fabricación de un prototipo óptico para experimentos de
interacción luz-materia
Manufacture of an optical prototype for light-matter interaction experiments
Ponce-Camacho Miguel Ángel
1
, Villavicencio Aguilar Jorge Alberto
2
, Romo Martínez
Roberto
2
1
CETYS Universidad, Campus Mexicali, Escuela de Ingeniería, Calzada CETYS s/n, fraccionamiento Rivera, C.
P. 21259, Mexicali, Baja California, México.
2
Universidad Autónoma de Baja California, Facultad de Ciencias. Carretera Trans-peninsular Ensenada-Tijuana
3917, Fracc. Playitas, C. P. 22860 Ensenada, Baja California, México.
Autor de correspondencia: Ponce-Camacho Miguel Ángel, CETYS Universidad, Campus Mexicali, Escuela
de Ingeniería, Calzada CETYS s/n, fraccionamiento Rivera, C. P. 21259, Mexicali, Baja California, México,
miguel.ponce@cetys.mx. ORCID: 0000-0002-3320-1277.
Recibido: 30 de Noviembre del 2019 Aceptado: 06 de Febrero del 2019 Publicado: 30 de Abril del 2019
Resumen. - Se fabricó un prototipo óptico para realizar mediciones de plasmones polaritones de superficie en
haces de luz difractados a ángulos menores a 900. Se elaboraron experimentos para identificar el ángulo
resonante de excitación de plasmones polaritones de superficie mediante una rejilla de difracción con un
periodo espacial mayor a la longitud de la onda de la señal de luz. En los ensayos realizados en laboratorio se
llevaron a cabo mediciones de la curva de intensidad de la señal de luz difractada en los órdenes +1 y – 1. Los
resultados experimentales fueron consistentes con lo planteado teóricamente. En virtud de lo anterior, se
concluye que es posible excitar plasmones polaritones de superficie, utilizando la técnica de la rejilla de
difracción metálica con una longitud de onda menor al periodo espacial de la rejilla. El prototipo óptico
logrado resulta ser muy flexible para futuras aplicaciones en la medición de plasmones. Lo anterior es posible
gracias a la rapidez con la que se pueden modificar las monturas y sus ensambles para la alineación de los
elementos ópticos: diodo láser, superficie rugosa metálica, polarizador lineal. Así mismo, el control absoluto
en el aparato del ángulo de incidencia, y la facilidad para intercambiar la fuente de luz y la superficie rugosa
metálica, abren amplias posibilidades para probar nuevas hipótesis para las condiciones de excitación de
plasmones polaritones de superficie.
Palabras clave: Plasmón polaritón de superficie; Manufactura aditiva; Nanotecnología.
Abstract. - An optical prototype was fabricated to perform measurements of surface plasmon polaritons in
light beams diffracted at angles of less than 900. Experiments were developed to identify the excitation resonant
angle of surface polariton plasmons by a diffraction grating with a pitch greater than the wavelength of the
light signal. In the laboratory tests, measurements of the intensity curve of the diffracted light signal were
carried out in the +1 and -1 orders. The experimental results were consistent with the theoretical approach.
Based on the above, it is concluded that it is possible to excite surface plasmon polaritons, using the technique
of the metallic diffraction grating with a wavelength shorter than the space frequency of the grid. The achieved
optical prototype turns out to be very flexible for future applications in the measurement of plasmons. This is
possible thanks to the speed at which it is possible to modify the frames and their assemblies for the alignment
of the optical elements: laser diode, rugged metallic surface, linear polarizer. Likewise, the absolute control in
the incident angle apparatus, and the ease of exchanging the light source and the rough metal surface, open
wide possibilities for testing new hypotheses for the excitation conditions of surface plasmon polaritons.
Keywords: Surface Plasmon polaritons; Additive manufacturing; Nanotechnology.
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1. Introducción
Los notables avances de las últimas décadas en las
técnicas para explorar y manipular la materia a
escalas nanométricas han traído como
consecuencia nuevos conceptos de dispositivos
nanoelectrónicos y nanofotónicos con una amplia
variedad de aplicaciones [1, 2, 3]. La integración a
gran escala de dispositivos semiconductores para
la fabricación de circuitos integrados ha alcanzado
tal grado de miniaturización que las dimensiones
comienzan a cobrar importancia fundamental en
los fenómenos asociados a la interacción luz-
materia [4]. La Ley de Moore establece que el
número de transistores en un chip se duplica cada
18 meses [5], de tal suerte que en nuestros tiempos
la tecnología de integración de transistores ha
pasado de micrómetros a decenas de nanómetros.
A estas escalas, sin embargo, los electrones dejan
de comportarse como partículas y comienzan a
comportarse como ondas, razón por la cual las
tecnologías utilizadas se encuentran en una fase de
cambio, ya que es necesario entender los
fenómenos que se presentan en la interacción luz-
materia en la nanoescala. Ante los nuevos retos de
investigación tanto básica como aplicada, se prevé
el inicio de nuevas tecnologías, como la
nanoelectrónica [5] y la nanofotónica. Algunos
autores afirman que nos encontramos iniciando la
era de los dispositivos nanofotónicos integrados
[1-4], con elementos de dimensiones comparables
a la longitud de onda de la luz, involucrando
nanoestructuras metálicas y composiciones metal-
dieléctrico. Se trata de nuevas tecnologías donde el
elemento portador de la información no
necesariamente es el electrón como en los
dispositivos electrónicos convencionales. Una de
las tecnologías que se vislumbra como promesa
para avanzar en la miniaturización de los
dispositivos es la plasmónica. En esta tecnología el
nuevo elemento portador de la información es el
llamado plasmón polaritón de superficie (PPS).
Esta nueva tecnología se basa en las
propiedades de unas cuasi-partículas conocidas
como plasmones, las cuales se desplazan en dos
dimensiones a velocidades cercanas a la de la
luz. Una de las principales aplicaciones de esta
tecnología se encuentra en el diseño de circuitos
que podrían operar a frecuencias más altas que
las permitidas por los dispositivos electrónicos
más veloces, con la ventaja de que un circuito
plasmónico al estar confinado en una superficie
metálica, podría funcionar híbridamente,
alternando señales ópticas y electrónicas.
Otra de las aplicaciones importantes de la
plasmónica es el diseño de sensores. Esto
debido a la alta sensibilidad en la respuesta de
la intensidad en la señal de la luz al inducir PPS.
Estos dispositivos ya en uso pueden detectar en
tiempo real pequeñísimas variaciones en el
índice de refracción de muestras biológicas
(dieléctrico), por lo que tienen un considerable
potencial en la exactitud de mediciones en
pruebas clínicas, tales como enfermedades
originadas por virus y bacterias, en contraste
con los largos tiempos de respuesta en las
pruebas biológicas tradicionales.
Dentro del campo de la plasmónica son
conocidas varias técnicas para inducir la
excitación de PPS. Las configuraciones de Otto
(1968) y Kretschmann y Raether (1968) han
sido descritas ampliamente [6, 7] en la literatura
especializada. Sin embargo, ambas
configuraciones requieren el uso de un prisma
con requerimientos precisos de alienación
óptica, condición que las convierte en métodos
poco viables para su miniaturización e
integración. Una tercera opción para alcanzar la
resonancia de PPS lo constituye el uso de
rejillas de difracción metálicas [7] en contacto
con superficies dieléctricas. Esta opción se
considera como una alternativa económica y
técnicamente ventajosa en el camino a las
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aplicaciones industriales exitosas. Usualmente se
utilizan fuentes de luz con longitudes de onda
mayores que el periodo espacial de la rejilla [2].
Esto implica que toda la energía luminosa de los
órdenes difractados se acople a la intercara de la
superficie, haciendo la técnica potencialmente
viable para aplicaciones en el diseño de circuitos
plasmónicos. Esta consideración en el
experimento de excitación de plasmones no es
necesaria en otras aplicaciones. Como, por
ejemplo, en el sistema óptico de un sensor basado
en PPS. En tal sistema óptico se debe permitir la
medición de la curva de la intensidad de la señal
de luz reflejada. Así, utilizando las
configuraciones de Otto (1968) y Kretschmann y
Raether (1968), con el método de la rejilla, es
posible eliminar las técnicas costosas requeridas
para su fabricación (interferometría, microscopía
electrónica de barrido), tanto como la necesidad de
equipo de un alto costo para realizar las
mediciones de la intensidad de la señal de luz en la
intercara de la superficie.
En el presente trabajo se utiliza el método de la
rejilla de difracción para inducir plasmones
polaritones de superficie, con una variación a las
condiciones técnicas del experimento: El periodo
espacial de la rejilla es mayor a la longitud de la
onda de la señal de luz utilizada en el sistema
óptico experimental. En el diseño del aparato se
utilizan ensambles de monturas diseñadas y
fabricadas mediante impresión 3D, que resultan
muy prácticas para fijar y alinear las componentes
del sistema óptico.
2. Metodología
Se construyó un prototipo óptico flexible para
realizar experimentos de mediciones de plasmones
polaritones de superficie utilizando rejillas de
difracción metálicas en contacto con un medio
dieléctrico. En la sección 2.1 se presenta la
descripción detallada del prototipo óptico, y en la
sección 2.2, como parte de la metodología para el
análisis teórico, se presentan las ecuaciones
importantes y los cálculos numéricos relevantes
al experimento.
2.1. Sistema óptico para excitación de PPS
por el método de la rejilla de difracción
metálica.
La rejilla de difracción utilizada posee un perfil
rectangular de 1200 líneas/mm, sobre la cual se
hace incidir luz monocromática que consiste de
un diodo láser con longitud de onda de
= 650
. En la figura 1 se muestra un diagrama de
la rejilla de difracción en donde se observan los
rayos incidente, transmitido y reflejado. La
rejilla se coloca sobre una superficie de vidrio
de , con lo cual se tiene una
rejilla de difracción metálica con una frontera
dieléctrica, en donde es posible, mediante
variaciones apropiadas de las variables del
experimento, lograr la condición de resonancia
mediante la sintonización del vector de onda del
plasmón-polaritón,
, el cual está dado por
la ecuación (2).
. (1)
donde el ángulo de incidencia de un haz de luz
con polarización p puede tomar valores en
0
.
Figura 1. Diagrama de la rejilla de difracción de oro con
perfil rectangular y 1200 líneas por milímetro
(Λ=833.33m) utilizada en los experimentos para inducir
resonancia de PPS.