APLICACIONES RECIENTES Y FUTURO DE LA ÓPTICA

La óptica es una ciencia muy antigua debido al gran interés que desde siempre han mostrado las personas por las causas que motivan los fenómenos de la naturaleza. Ya en la cultura griega aparecen estudios sobre el concepto de la luz y el proceso de la visión humana, si bien las explicaciones que se dieron son muy diferentes a los modelos que hoy día se utilizan y que razonan los hechos experimentales.

Su desarrollo ha sido gradual desde los siglos XVI y XVII, pero en las últimas décadas ha experimentado un gran impulso como ciencia básica al aportar importantes descubrimientos y así contribuir a aplicaciones de gran interés en otras ramas de la ciencia y de la tecnología.

El descubrimiento del láser (1960) es uno de los hechos que más ha influido en la evolución y las aplicaciones de la óptica en las últimas décadas. Fundamentalmente, porque produce luz coherente con propiedades diferentes respecto a la luz incoherente producida por las lámparas convencionales. Esta característica del láser ha hecho que su aplicación impulsara algunos campos de investigación ya existentes e hiciera que aparecieran otros nuevos con un enorme empuje. Podemos reseñar, entre ellos, el desarrollo de las comunicaciones con fibra óptica, los sistemas de disco compacto, la holografía, el procesado óptico de la información, la cirugía láser, la soldadura láser, etc.

Las aplicaciones de la luz incoherente son también abundantes e incluyen los sistemas de litografía óptica para fabricar chips para ordenadores, los microscopios de alta resolución, la óptica adaptativa, los sensores de infrarrojo para distintas aplicaciones -desde controles remotos hasta equipos de visión nocturna- y, además, el desarrollo de lámparas de iluminación con alto rendimiento.

En 1994, el National Research Council de los Estados Unidos de América emitió un informe en el que consideraba que la óptica formaba parte del grupo de materias clave para importantes aplicaciones de gran valor económico en el futuro. Se constituyó el Comité de Ciencia e Ingeniería óptica, con participación de diversas instituciones e industrias, para examinar el progreso registrado durante la última década e identificar y potenciar las líneas de mayor impacto a corto y largo plazo. En 1998 editaron los resultados del estudio con el título Harnessing Light-Optical Sciences and Engineeringfor the XXI Century.

Durante 1999 y 2000 se hizo un estudio análogo en Alemania, llegando a definir las mismas líneas.

En este estudio se destacan la tecnología de la información y de las comunicaciones, la salud humana y las ciencias de la vida, los sensores ópticos y nuevas lámparas para mejor aprovechamiento de la energía, el desarrollo de equipos utilizados en los procesos de fabricación en la industria, las aplicaciones en defensa, la fabricación de nuevos sistemas ópticos, y, finalmente, el incrementar la investigación y la enseñanza de óptica.

Tecnología de la información y de las comunicaciones

La transmisión de televisión utiliza VHF/UHF en un rango de 30-3.000 MHz, mayor que el de la transmisión de radio (300 kHz-30 MHz) porque el contenido de información en las señales de televisión (imagen y sonido) es mucho mayor que el contenido de información en las emisiones de radio (sonido).

A mayor frecuencia de la onda es posible transportar mayor cantidad de información. Como las frecuencias ópticas son mucho mayores (del orden de 10¹⁵ Hz) que las ondas de radio convencionales o las de la televisión, un rayo de luz actuando como onda portadora es capaz de transportar mucha más información. Una vez descubierto el láser y aprovechando la capacidad de las fibras ópticas para transportar, por reflexión total, la luz en su interior, se empezaron a utilizar ambos elementos para las comunicaciones, en sustitución de la transmisión clásica por cable coaxial. Aparte de estos elementos, son necesarios los amplificadores de señal, colocados a lo largo del recorrido.

El progreso de esta línea de desarrollo ha sido extraordinario en la última década. Las comunicaciones por fibras ópticas se extienden a todo el mundo, instalándose a una velocidad promedio de 1 km/s. Al final de los años ochenta un 10 % de las comunicaciones intercontinentales desde EE.UU. se realizaban con fibras ópticas, mientras que a finales de los noventa este porcentaje era del 90 %. En el avance de la tecnología ha contribuido la capacidad creciente de las fibras, así como los avances en los láseres utilizados y en los transmisores.

Las necesidades que surgirán en los próximos diez o veinte años para la computación, para Internet y en las comunicaciones exigen un avance en varios campos:

• La transmisión de datos.

• Las conexiones.

• El almacenamiento de la información.

• Las pantallas.

Esto implica que la capacidad de transporte de las fibras, la potencia de procesado de los ordenadores y la densidad de almacenamiento se multiplique en un factor 100 en 10 años, pasando de la llamada giga (10⁹) era a la tera (10¹²) era, para lo cual tienen que desarrollarse técnicas muy avanzadas en óptica y en Electrónica.

En el campo del almacenamiento de la información, los sistemas ópticos de lectura y grabación (discos compactos CD y DVD) ya sustituyen de manera generalizada a los sistemas magnéticos tradicionales.

Por otra parte, ha sido importante el desarrollo de las pantallas de visualización. Históricamente, han sido los tubos de rayos catódicos (CRT) los más utilizados, porque son baratos, se fabrican en masa y se benefician del mercado televisivo. No obstante, en 1968 aparecieron las pantallas de cristal líquido, que son ligeras y reducidas de tamaño, convirtiéndose en las pantallas adecuadas para equipos portátiles como relojes, televisores pequeños, teléfonos móviles y pantallas de ordenadores portátiles.

Medicina y ciencias de la vida

Importantes contribuciones de la óptica en el cuidado de la salud aparecen tanto en la práctica diaria de la Medicina y de la cirugía como en los nuevos avances en diagnóstico, mediante pruebas no invasivas. En Oftalmología se está utilizando el láser en la clínica y cirugía diarias. La introducción de las fibras ópticas en la endoscopia y el desarrollo de los elementos ópticos necesarios ha permitido la visualización de órganos internos: aparato digestivo, útero, etc., así como la sustitución en algunos casos de la cirugía tradicional por la laparoscopia, con mínima terapia invasiva; por ejemplo, la artroscopia para cirugía de rodilla.

Y podemos destacar que muy recientemente se ha descubierto la extensión de la endoscopia a todo el tracto gastrointestinal, mediante la introducción de una cámara digital, la fuente de iluminación, el radio transmisor y la batería en una pequeña cápsula (30 mm de largo por 11 mm de diámetro). Al tragar la cápsula, ésta pasa por el interior del aparato digestivo y va emitiendo imágenes en color y datos de la posición. La gran ventaja se presenta en la posible visualización del intestino delgado.

En Biotecnología, los láseres son parte esencial de los sistemas utilizados para secuenciar el ADN, tanto en sistemas comerciales como en sistemas experimentales de electroforesis.

Finalmente, como ejemplo de los cambios que pueden experimentar las aplicaciones ópticas podemos citar los manipuladores con láseres que aprovechan el hecho de que las fuerzas ópticas, si bien son minúsculas en la escala de grandes organismos, pueden resultar significativas en la escala de las macromoléculas o incluso células. Así, con láseres se puede remolcar una bacteria en agua a más velocidad de lo que puede nadar, o bien se puede parar una célula de esperma en su recorrido.

Óptica en el proceso de fabricación en la industria

Aparte del reconocimiento general de que los desarrollos en óptica han hecho avanzar la tecnología de la información, han sido las aplicaciones en la industria lo que ha supuesto mayor impacto económico. Por citar un ejemplo, todos los chips de semiconductores que se producen en el mundo se elaboran usando litografía óptica. El desarrollo de la industria de semiconductores da un gran impulso al avance en investigación y desarrollo de técnicas ópticas: la disminución de los tamaños en la fabricación implica la exigencia de nuevos materiales, nuevos componentes ópticos, nuevas fuentes de radiación ultravioleta y la optimización en la alineación de las máscaras para la fotorreproducción de los chíps.

El procesado de materiales con láseres es otra aplicación creciente, tanto en la industria del automóvil como en la aeroespacial.

Las técnicas de visión automatizada, como el reconocimiento de imágenes o el modelizado en tres dimensiones, son aplicaciones de óptica e Informática que requieren a veces algoritmos complejos, pero son cada vez más utilizadas en la industria y en técnicas de control y cl