Un grupo de investigadores del Instituto de Química (IQ) de la Universidad de São Paulo (USP) ha creado una metodología inédita para calibrar haces de láser. Esta novedad será útil tanto para las industrias fabricantes de aparatos emisores de láser como para los profesionales que utilizan dichos instrumentos en cirugías oculares, por ejemplo, y necesitan verificar de tiempo en tiempo las especificaciones del fabricante. La nueva técnica será utilizada para la caracterización de láseres continuos, en los cuales la distribución de energía en el haz presenta un patrón de intensidad de luz más débil en los bordes y más fuerte en el centro. Los láseres con ese perfil, llamados gaussianos, son los más comunes en el mercado, empleados en una amplia gama de aplicaciones, tales como medidas ópticas, soldaduras, metrología y usos médicos (cirugías, terapia fotodinámica y odontología, entre otros).
El método desarrollado en el IQ permitirá determinar el diámetro o el radio del haz de láser en cualquier posición a lo largo de su eje de propagación. Estas informaciones son fundamentales para las diversas aplicaciones de los láseres en medicina, en la industria o en las investigaciones académicas que tengan el desempeño esperado. “Nuestra metodología permitirá la obtención de los parámetros del haz de manera rápida y con bastante precisión”, afirma el ingeniero químico y posdoctorando Marcos Gugliotti, inventor del artefacto, con la supervisión de los profesores Mario José Politi y Maurício Baptista, ambos del Departamento de Bioquímica del IQ.
La concepción de este equipamiento tuvo en cuenta el fenómeno óptico de lente térmica, que se observa cuando un haz de láser atraviesa un material en el cual la luz es absorbida y transformada en calor. Esta transformación induce una variación (gradiente) de temperatura, que a su vez provoca una variación de la densidad. Esta variación provoca un cambio en el índice de refracción del material, que comienza a actuar como una lente, focalizando o sacando de foco al haz. “Ese efecto de lente producido por la generación de calor en determinado medio, en este caso un líquido, es llamado lente térmica”, explica Gugliotti.
Usando la metodología planteada por Gugliotti, el haz debe incidir sobre una muestra líquida que contiene un colorante adecuado inducir el efecto de lente térmica. Los parámetros necesarios para la caracterización del haz de láser son determinados por la medida del efecto de focalización y desfocalización de haz que atraviesa la muestra. Con ello es posible determinar el radio del haz en cualquier posición, al margen de otras medidas características. “Teóricamente, no existen límites para el tamaño del haz. En principio, este método podría aplicarse tanto para haces con radios de 2 centímetros como para haces con radios del orden de las décimas de micrómetros (un micrómetro es la milésima parte del milímetro), o incluso menores”, explica Gugliotti.
Una casualidad
Aunque el efecto de lente térmica era conocido desde 1965, nunca había sido utilizado para la caracterización de haces de láser. Los investigadores del IQ fueron los primeros que vislumbraron la posibilidad de utilizarlo para esa finalidad. “Se dio casi por casualidad”, dice Gugliotti. “Durante mi doctorado en estudios de superficies, sin ninguna conexión con la caracterización de los láseres, trabajé con técnicas fototérmicas, que son técnicas ultrasensibles basadas en la transformación de la luz en calor, y propias para determinar cantidades muy pequeñas (trazos) y las propiedades termoópticas de los materiales. De esa manera percibí que podía medir el diámetro y otras propiedades del haz de láser con la lente térmica”, afirma. “Descubrí una cosa que no estaba buscando. A decir verdad tropecé con ella”.
En razón de lo inédito de la metodología, el grupo de investigadores formuló un pedido de patente ante el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI), en julio de este año. Los estudiosos contaron con apoyo de la FAPESP, por medio del Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (PAPI) y del Núcleo de Patentes y Licencias de Tecnologías (Nuplitec). En la patente fueron presentadas medidas comparativas entre la nueva metodología y la técnica convencional para la caracterización de haces de láser, conocida como método de barredura de cuchilla (knife-edge).
“Arribé a los mismos resultados empleando ambos métodos. Los dos presentaron la misma precisión en la medida del radio del haz, del orden de los micrómetros”, afirma el investigador. “Los aparatos comerciales tienen una precisión de décimas de micrómetros, pero en mi caso tomé las medidas manualmente. Cuando utilice instrumentos más sofisticados para la medición, como un motor de paso (un motor eléctrico comandado por circuitos digitales), es de esperar que tal precisión aumente.”
Ventajas en el precio
Según sus inventores, la técnica de lente térmica presenta una serie de ventajas con relación a la barredura de cuchilla. La principal es el bajo costo de los futuros equipamientos. Los aparatos que utilizan el método de barredura de cuchilla cuestan actualmente alrededor de 7 mil dólares; y el aparato de los investigadores del IQ, cuando esté listo, será vendido a un precio entre un 10% y un 20% inferior a ese valor. “Esto será posible porque los dispositivos utilizados son muy sencillos y baratos”, dice Politi. Pero existen otros beneficios. Al margen de ser instrumentos de fácil manipulación, la nueva técnica permite la determinación de varios parámetros del haz con un número menor de mediciones, las cuales serán menos trabajosas y podrán efectuarse en menor tiempo.
Según Gugliotti, pese a que aún no existe un prototipo del instrumento, algunas empresas ya han manifestado interés en su fabricación. “Estamos negociando con grandes compañías estadounidenses que fabrican equipamientos para el diagnóstico de haces de láser”, afirma el investigador, que prefiere mantener en el anonimato los nombres de dichas firmas. “Entre las seis empresas contactadas desde julio, dos se mostraron interesadas, y estamos en la fase inicial de negociación”, dice Gugliotti.
El primer prototipo estaría listo algunas semanas, una vez que se suscriba el contrato con uno de los interesados. “El equipamiento será compacto, menor que una caja de zapatos, y pesará entre uno y dos quilos”, comenta. La mayor demanda para el aparato provendría del exterior, principalmente de Estados Unidos, ya que el mercado brasileño de láser está aún en pañales. Pero los investigadores son optimistas, y esperan ahora la concreción en línea de producción del nuevo equipamiento.
El Proyecto
Determinación del Radio de un Haz de Láser Gaussiano Mediante la Técnica de Lente Térmica
Modalidad
Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (PAPI)
Coordinador
Mário José Politi – Instituto de Química de la USP
Inversión
R$ 6.000,00
