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
58
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.
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En la figura 2 se muestra el diagrama esquemático
del arreglo experimental utilizado para inducir
resonancia de PPS. La flexibilidad de este sistema
permite medir los ángulos de los órdenes
difractados en el campo lejano fuera de la frontera
de la superficie metálica, aún en condiciones
donde Λ >
. El prototipo está compuesto por un
diodo láser (1), un polarizador lineal (2), un
sistema de foto detección (3), una plataforma
giratoria de precisión (4), y una rejilla de
difracción de oro (5) cuyos detalles se han
mostrado en la figura 1.
El diodo láser, la rejilla de difracción y el
polarizador lineal se encuentran posicionados en
ensambles de monturas diseñadas en Solidworks y
fabricadas mediante impresión 3D. Dichos
ensambles poseen tres grados de libertad para
facilitar su alineación óptica [8]. Obsérvese sobre
la mesa de pruebas de la figura 2, que el diodo láser
(1) y el polarizador lineal (2) permiten iluminar la
rejilla con una señal de luz con polarización p
paralela al plano de incidencia. La rejilla se
encuentra montada en la plataforma de rotación,
que al girar permite variar los ángulos del haz de
luz incidente proveniente del láser (1), del cual
depende directamente el valor del vector de onda
, a través de la ecuación (1). La línea color
negro es la normal a la superficie de la rejilla, y la
línea color azul es el haz reflejado (orden cero o
componente directa). Obsérvese también en rojo el
haz difractado (orden +1) siendo analizado por el
foto-detector (3). En el arreglo óptico, el diodo
láser permanece fijo.
Figura 2. Diagrama esquemático del aparato utilizado
para medir las variaciones de la intensidad de luz en
superficies metálicas con perfil rectangular.
El ángulo de incidencia se controla al girar la
plataforma giratoria (4) en contra de las
manecillas del reloj. Al permanecer fijo el haz
incidente, la normal a la superficie gira también
en contra de las manecillas del reloj, siendo esta
línea el eje de referencia para medir los ángulos
incidentes (
), reflejado (
) y difractado
.
Obsérvese en la figura 2 que, a efecto de medir
las variaciones en la intensidad de luz, se utiliza
un fotodetector (3) controlado manualmente.
En la misma figura, la pantalla (6) que aparece
delimitando la región en la mesa de pruebas
tiene una curvatura con radio constante con el
fin de visualizar la posición de los rayos
reflejado y difractado. La mesa de rotación
tiene graduación angular, lo que permite
controlar y medir el ángulo reflejado (
)
y realizar mediciones en la intensidad de luz
para posiciones angulares equidistantes.
La flexibilidad del sistema óptico permite un
fácil manejo, modificación de sus
componentes, y versatilidad para la alineación
de sus elementos, así como un control de
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variables importantes en los experimentos, tales
como el ángulo de incidencia, la polarización de la
señal, la fuente de luz, y la foto detección.
2.2. Cálculo del vector de onda para una
superficie plana de oro.
Para la rejilla de difracción utilizada en el presente
experimento, los parámetros involucrados en la
ecuación (1) se encuentran publicados en tablas y
sus valores son conocidos. Utilizando dichos
valores, la ecuación (1) adopta la forma particular,
.
Por otro lado, el vector de onda para una superficie
plana de oro, se calcula a partir de la ecuación [2],
Re
, (2)
donde
,
es la constante dieléctrica
del aire,
es la constante dieléctrica (parte real)
del oro, es la frecuencia angular de la señal de
la luz, y es la velocidad de la luz.
Se calcula el valor del vector de onda del plasma
de electrones para el material con el que está
elaborada la rejilla de difracción (oro). Bajo las
condiciones establecidas teóricamente para el
acoplamiento de fotones con valores de las
constantes dieléctricas y aplicando la ecuación (2),
tenemos que el vector de onda para una superficie
de oro tiene un valor de,
,
por lo que la longitud de onda del plasmón para la
superficie de oro utilizada en el experimento es,
.
Se obtienen los valores exactos de los vectores de
onda, los cuales son proporcionales a la frecuencia
angular a través de la velocidad de la luz. La
condición de resonancia se puede alcanzar
sintonizando el vector de onda
mediante
la variación de
, la cual se dará cuando
alcance valores muy cercanos a
. Realizando
un barrido del ángulo
con un intervalo de
lectura de 0.5
0
en el intervalo 0
, se
obtienen las curvas de la figura 3, en donde se
grafican
y
vs
. Este artificio gráfico permite
visualizar la convergencia de los valores
y
i.e. la resonancia ocurre cuando,
. Se observa que
toma un valor muy cercano a
en
aproximadamente 16.75
0
. Este resultado
muestra que es factible obtener la resonancia
del plasmón en ese ángulo.
Es factible confirmar la validez de la ecuación
(3) para un ángulo de resonancia
, dado por
la expresión,
, (4)
donde es el orden de difracción.
Figura 3. Curvas para
Obsérvese el punto de
convergencia en el ángulo 15.50, lo que indica que es
factible obtener la resonancia de plasmones.
3. Resultados
En el presente experimento se realizan
mediciones de la intensidad de los haces de luz
difractados por una rejilla, mediante un barrido
del ángulo de incidencia. En la figura 4 se
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presentan los valores medidos de la intensidad del
haz de luz medido en el orden -1. Se aprecia
claramente que se presenta un mínimo en la
intensidad de luz a un ángulo resonante muy
similar al predicho en el cálculo numérico de la
sección anterior, lo cual confirma la eficiencia en
el funcionamiento del prototipo óptico fabricado
para excitar PPS, así como para realizar
mediciones en haces de luz difractados a ángulos
menores a 90
0
.
En especial, esto confirma que es posible
excitar PPS con superficies rugosas con un
periodo espacial mayor a la longitud de la onda
de la señal de luz.
Figura 4. Gráfica de los valores de la intensidad del orden -1 utilizando luz incidente con polarización p. Los
datos de lectura tomados con un fotodetector están normalizados y fueron tomados a intervalos de 0.25
0
.
Otro aspecto digno de destacarse en el presente
experimento, es la importancia que juega la
polarización del haz incidente para la generación
de PPS. A diferencia de los resultados presentados
en la figura 4, en donde se utiliza un haz incidente
con polarización p, en la figura 5 se presentan los
resultados para una señal de luz con polarización
s, en donde se miden los valores de la intensidad
del orden -1. Como se muestra en la figura 5, la
intensidad de luz no exhibe una caída en su valor
alrededor de los 16.75
0
. Esto demuestra que los
resultados experimentales son consistentes con la
teoría, la cual involucra la condición de que la luz
incidente tenga polarización p.
Figura 5. Gráfica de los valores de la intensidad del orden -1
para una señal de luz con polarización (TE). Como se muestra
en la gráfica, la intensidad de luz no tiene una caída en su
valor alrededor de los 16.750. Los datos de lectura tomados
con un fotodetector están normalizados.
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También en el orden +1 se presenta una caída
abrupta de la intensidad de la luz difractada
usando luz incidente de polarización p como se
muestra en la figura 6. La caída abrupta en la
intensidad de la señal de luz en los órdenes de
difracción ±1, es una característica que puede
considerarse conveniente para aplicaciones en el
área de la ingeniería. Por ejemplo, para el diseño
de moduladores de luz. De hecho, al observarse el
comportamiento de la intensidad de luz alrededor
del ángulo resonante ϴ
R
, podemos notar que
existe un intervalo de aproximadamente 2
0
en el
cual ocurre la disminución de la intensidad de luz.
Es técnicamente viable aprovechar este
comportamiento de la señal de luz difractada en
los órdenes ±1, donde su intensidad se encuentra
en función del ángulo de incidencia. Esta
aplicación se encuentra en trámite para su registro
como patente [8].
El prototipo óptico desarrollado tiene
características técnicas que ofrecen flexibilidad
para futuras aplicaciones. Al estar integrado por
una serie de ensambles de monturas, cada uno
diseñado para componentes ópticos específicos, y
al tener la capacidad de modificarse mediante el
diseño de software versátil, así como su
fabricación en impresión 3D, se hacen evidentes
las amplias posibilidades de rediseño del
experimento. El prototipo también permite
manipular con facilidad variables tales como la
longitud de onda (diodo láser), frecuencia espacial
y el material de la superficie rugosa metálica (oro,
plata, etc.), o bien el polarizador lineal. Así
también, el prototipo proporciona un control en el
ángulo de incidencia. Esta amplia flexibilidad
abre numerosas posibilidades para probar nuevas
hipótesis para las condiciones de excitación de
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.
Figura 6. Gráfica de los valores de la intensidad del orden +1
para una señal de luz con polarización (TM). Los datos de
lectura tomados con un fotodetector están normalizados y
fueron tomados a intervalos de 0.50.
4. Conclusiones
Se fabricó un prototipo óptico para realizar
mediciones de plasmones polaritones de
superficie en haces de luz difractados por una
rejilla de difracción en contacto con una superficie
dieléctrica a ángulos menores a 90
0
, mediante el
cual es posible realizar experimentos para
identificar el ángulo resonante de excitación de
PPS, donde el periodo espacial de la rejilla es
mayor que la longitud de onda de la señal de
iluminación. El diseño y la fabricación de las
monturas del prototipo se realizaron mediante
software para modelado de piezas mecánicas
(Solidworks) e impresión 3D, dándole al prototipo
gran flexibilidad debido a la facilidad y rapidez
con la que se pueden modificar y alinear sus
elementos ópticos.
Como aplicación del prototipo, 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 exitosamente
corroborados mediante un modelo teórico que
permite predecir los valores de los ángulos en los
que se encuentran dichos órdenes. Se destaca el
papel que juega la polarización del haz incidente
en la generación del efecto PPS, comparando el
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experimento con luz de polarización p con uno
donde se utiliza luz de polarización s.
Uno de los resultados importantes que se
desprende de nuestra investigación [8] es la
propuesta de la utilización del estado de
polarización del haz incidente como parámetro
importante para el diseño de nuevos aparatos
plasmónicos, tales como el diseño de moduladores
de luz basados en el efecto PPS. Este nuevo
concepto de modulador toma gran distancia
tecnológica respecto de un polarizador lineal, en
virtud de que el efecto de variación de la
intensidad de luz difractada depende del material
con el que está elaborada la rejilla de difracción,
cuyas constantes dieléctricas permiten sintonizar
el ángulo de resonancia con exactitud.
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