s2-op11 visualización de flujos usando un interferómetro de

VISUALIZACIÓN DE FLUJOS USANDO UN INTERFERÓMETRO DE
TRAYECTORIA COMÚN NO LINEAL
L. I. Olivos Pérez, C. G. Treviño Palacios, M. D. Iturbe Castillo, J. D. Sánchez de la Llave.
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. Calle Luis Enrique Erro No. 1 Santa
María Tonantzintla. C. P. 72840. Puebla. México [email protected]
RESUMEN
Algunas técnicas de visualización de flujos, tales como el túnel de viento y velocimetría de partículas han
tenido gran desarrollo. Sin embargo, son difíciles de implementar. En este trabajo mostramos un
interferómetro de trayectoria común basado en el uso de un medio no lineal en el que, bajo ciertas
condiciones, se fotoinduce un filtro para observar la dinámica de flujos. Este filtro puede ser considerado
autoajustable ya que las características del filtro dependen de la intensidad. Al ser autoinducido no requiere
alineación y se induce a una velocidad que puede ser tan rápida como de unos cuantos ms. Se presentan
resultados experimentales.
1. INTRODUCCIÓN
Los métodos de visualización son herramientas que hacen visible el movimiento de flujos que son invisibles
por ser transparentes. Están basados en la interacción del flujo con la luz. Esta interacción puede ser de dos
maneras:
1) La luz puede ser esparcida por las moléculas del fluido o por partículas trazadoras depositadas en el
flujo.
2) La luz cambia sus propiedades debido al comportamiento óptico del flujo, de tal manera que la luz
transmitida a través de él es diferente con respecto a la luz incidente.
Así, las técnicas de visualización de flujos usadas en la ciencia y la industria están basadas en tres principios
básicos: el esparcimiento de la luz por las partículas trazadoras; cambios del índice de refracción producidos
por el fluido del flujo; y la interacción del flujo con superficies sólidas. Existe numerosa literatura sobre este
tema [1-5].
En particular, la luz transmitida a través de un flujo con cambios en su índice de refracción se afecta de dos
maneras: se desvía de su dirección original de propagación, y su fase es alterada con relación a la fase no
afectada por el flujo. Existen diferentes técnicas para visualizar estos cambios, las más comunes de ellas
basadas en lo que genéricamente se conoce como el interferómetro de trayectoria común. En la literatura [6]
podemos encontrar diferentes arreglos basados en este interferómetro. Estos sistemas son muy robustos, sin
embargo, por lo general son difíciles de implementar. En este trabajo describimos un arreglo basado en un
interferómetro de trayectoria común que utiliza como filtro un medio no lineal para visualizar cambios en la
fase de la luz que pasa a través de un flujo transparente. Por las características del filtro, el sistema resulta ser
muy fácil de alinear.
2. INTERFERÓMETRO DE TRAYECTORIA COMÚN NO LINEAL
El esquema del arreglo experimental usado para implementar el interferómetro de trayectoria común no lineal
se muestra en la figura 1 [7]. El flujo es uniformemente iluminado con el haz de un laser y una lente delgada
positiva es usada para obtener tanto la transformada de Fourier como la imagen del flujo. Un medio no lineal
es colocado en el plano focal del sistema y la distribución de intensidad se observa en el plano imagen del
interferómetro. El campo en el plano focal está dada por la distribución de la transformada de Fourier del
campo de entrada. Al colocar en este plano un medio no lineal, se produce un desplazamiento de fase no
lineal que corresponde a la intensidad de la transformada de Fourier.
Plano del
Flujo
Medio no
lineal
Lente
Cámara
CCD
Iluminación
uniforme
f
d0
di
Figura 1. Esquema del arreglo experimental del interferómetro de trayectoria común no lineal.
Para obtener un filtro adecuado es necesario que el desplazamiento de fase inducido sea mayor en la
frecuencia cero y su vecindad, con respecto a las demás frecuencias. Por lo que se debe procurar que la
intensidad de la frecuencia cero sea mucho mayor que las demás frecuencias. Esto se logra fácilmente
empleando un área de iluminación mayor que el área del flujo.
La imagen resultante muestra los cambios de fase producidos por el flujo al campo de iluminación.
3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Se usó una lente plano convexa de 12 cm de diámetro y con una distancia focal de 75 cm. Como medio no
lineal se utilizó una película de bacteriorrodopsina (BR) con no linealidad tipo Kerr saturable [8]. Esta
película tenía un área circular de 2.54 cm2 y un grosor de 50 m, una densidad óptica de 0.4 a 633 nm y un
tiempo de vida del estado M de ~1 s. Como fuente de iluminación se usó un laser de 26 mW de He-Ne con
una longitud de onda de 632.8 nm. El cambio de fase máximo inducido en la película de BR, para una
longitud de onda de 633 nm, medido independientemente en un interferómetro Mach-Zender fue de -0.4 
radianes. La BR se colocó en el plano de Fourier del sistema y la imagen se capturó con una cámara CCD.
Como primer ejemplo, observamos la dinámica del flujo de aire producido por la punta caliente de un cautín,
figura 2. La figura 2a muestra la punta caliente del cautín sin la película de BR, donde no se pudo observar el
flujo. Al colocar la película de BR en el plano focal posterior del sistema, se pudo observar el cambio en el
índice de refracción, en forma de franjas, debido al calor de la punta del cautín, figura 2b. El sistema responde
a flujos dinámicos, al soplar ligeramente en la punta, se detectaron los cambios en el fluido en tiempo real,
figura 2c.

a)
b)
c)
Figura 2. Aire caliente producido por la punta de un cautín. a) Sin filtro. b) Con BR como filtro.
c) Dinámica del flujo
2
El uso de un medio no lineal simplifica el sistema, ya que éste no debe tener una alineación muy precisa para
observar los flujos. Además de que esta alineación es muy sencilla ya que el filtro es autoinducido. Además se
aprovecha gran parte de la intensidad luminosa de la fuente.
Se observó un auto a escala (figura 3), donde se le hizo incidir un flujo de aire caliente para observar su
aerodinámica. El aire caliente se produjo con una secadora de pelo con un pequeño orificio para dejar salir el
aire y obtener trazos de la dinámica del aire y su interacción con el perfil del auto a escala.
Error!
a)
b)
c)
Figura 3. Auto a escala. a) Sin filtro. b) Con filtro no lineal observando la dinámica del flujo.
A pesar de que el tiempo de respuesta de la BR es lento, es decir, alrededor de 1 s. El sistema responde a
cambios dinámicos del flujo en tiempo real. Una vez que el filtro se ha autoinducido, los cambios en el flujo
no son tan grandes como para modificar la transformada de Fourier. Además, la luz concentrada en la
frecuencia cero es debida al exceso de área de iluminación del flujo, por lo que se garantiza que las
características del filtro permanezcan constantes.
4. CONCLUSIONES
Se mostró un interferómetro de trayectoria común para la visualización de flujos que utiliza como filtro un
medio no lineal. El sistema es robusto, fácil de alinear y responde a variaciones del flujo en tiempo real, ya
que el filtro es autoinducido.
BIBLIOGRAFÍA
1. W. Merzkirch “Flow Visualization”, 2nd edn. Orlando. Academic Press 1987.
2. Japan Society of Mechanical Engineers Visualized Flow. Oxford: Pergamon Press, 1988
3. WJ. Yang “Handbook of Flow Visualization”, Washington: Hemisphere, 1989.
4. J. Crowder “Flow visualization VII”. Proceedings: 7th International Symposium on Flow
Visualization. New York: Begell House, 1995.
5. Carlomagno GM, “Grant I. 8th International Symposium on Flow Visualization”. CD-Rom
Proceedings, 1998.
6. P. Rastogi, D. Inaudi “Trands in optical non-destructive testing and inspection”, Elsvier Science Ltd,
2003.
7. Treviño-Palacios, C. G., Iturbe Castillo, M. D., Sánchez-de-la-Llave, D., Ramos García, R., OlivosPérez, L. I., “Nonlinear common-path interferometer: an image processor”, Appl. Opt. 42, 50915095 (2003).
8. M. D. Iturbe Castillo, D. Sánchez-de-la-Llave, R. Ramos García, L. I. Olivos-Pérez, L. A. González,
and M. Rodríguez-Ortiz, “Real-time self-induced nonlinear optical Zernike- type filter in a
bacteriorhodopsin film,” Opt.Eng. 40, 2367-2368 (2001).
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