Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

IE-0502
Montaje y prueba de sistema sensor para laboratorio basado
en principios del lector de disco compacto de audio
Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Montaje y prueba de sistema sensor para laboratorio
basado en principios del lector de disco compacto de
audio
Por:
Juan José Martínez Gómez
Diciembre del 2004
i
IE-0502
Montaje y prueba de sistema sensor para laboratorio basado
en principios del lector de disco compacto de audio
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Montaje y prueba de sistema sensor para laboratorio
basado en principios del lector de disco compacto de
audio
Por:
Juan José Martínez Gómez
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
___________________
Ing. Luis Diego Marín
Profesor Guía
___________________
Ing. Jaime Cascante
Profesor Lector
___________________
Ing. Jorge Romero
Profesor Lector
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A mis padres y hermanas,
por todo el cariño y apoyo recibidos.
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RECONOCIMIENTOS
Mi más sincero agradecimiento y admiración por toda la colaboración brindada para
realizar este proyecto a:
Ing. Luis Diego Marín N.
Deseo agradecer a mis amigos y compañeros por la cooperación, apoyo y ayuda prestada
durante el desarrollo del presente trabajo.
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ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS.......................................................................................... vi
RESUMEN............................................................................................................viii
CAPÍTULO 1: Introducción .................................................................................. 1
1.1
Objetivos......................................................................................................................... 2
1.1.1 Objetivos específicos ................................................................................................... 2
1.2
Metodología .................................................................................................................... 3
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico ......................................................................... 5
2.1
Teoría de Polarización .................................................................................................... 5
2.1.1
Concepto ................................................................................................................. 5
2.1.2
Tipos de Polarización.............................................................................................. 7
2.1.3
Formas de Polarizar ................................................................................................ 7
2.1.4
Dispositivos Polarizadores.................................................................................... 10
2.2
Láser.............................................................................................................................. 13
2.2.1
Láser He-Ne.......................................................................................................... 16
2.2.2
Diodo Láser........................................................................................................... 18
2.3
Fotodetector .................................................................................................................. 22
2.4
El disco Compacto ........................................................................................................ 25
2.5
El Lector de Disco Compacto ....................................................................................... 28
2.6
Otros Modelos de Lector de Disco Compacto.............................................................. 33
CAPÍTULO 3: Montaje del Equipo .................................................................... 37
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
Sesión #1: Montaje, alimentación y alineamiento del láser de He-Ne ......................... 38
Sesión #2: Polarización del Haz ................................................................................... 40
Sesión #3: Montaje del separador de haz (“beamsplitter”) y el retardador de /4 ....... 42
Sesión #4: Montaje del espejo y la hélice para el equipo de prueba. ........................... 44
Sesión #5: Montaje del circuito receptor. ..................................................................... 45
Sesión #6: Pruebas con el sistema. ............................................................................... 47
Sesión #7: Montaje del circuito emisor ........................................................................ 49
Sesión #8: Montaje del Motor para la rotación del disco ............................................. 52
Sesión #9: Montaje del disco compacto y su lente de enfoque .................................... 53
Sesión #10:Pruebas con el sistema ............................................................................... 55
CAPÍTULO 4: Conclusiones y recomendaciones .............................................. 59
BIBLIOGRAFÍA................................................................................................... 62
APÉNDICES.......................................................................................................... 64
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Onda electromagnética .................................................................................................. 5
Figura 2.2 Polarización de la luz. (a) Luz no polarizada. (b) Luz polarizada................................. 6
Figura 2.3 Componentes de la luz .................................................................................................. 6
Figura 2.4 Doble refracción dentro de un material birrefringente.................................................. 8
Figura 2.5 “Beamsplitter” Polarizador.......................................................................................... 11
Figura 2.6 Efecto de rotación del retardador de /2...................................................................... 12
Figura 2.7 Efecto de rotación del retardador de /4...................................................................... 13
Figura 2.8 Comparación entre la luz emitida por un láser y la que emite una lámpara
incandescente ................................................................................................................................ 15
Figura 2.9 Proyección del haz....................................................................................................... 15
Figura 2.10 Diagrama de Niveles de Energía del Láser de He-Ne............................................... 17
Figura 2.11 Niveles de energía en una unión p-n cuando no se aplica un voltaje externo. .......... 19
Figura 2.12 Estructura básica de un diodo láser. .......................................................................... 19
Figura 2.13 Perfil de la radiación de un láser simple de diodo..................................................... 20
Figura 2.14 Empaquetado de un láser de diodo comercial. .......................................................... 21
Figura 2.15 Fotodiodo................................................................................................................... 22
Figura 2.16: Curvas características de un fotodiodo..................................................................... 23
Figura 2.17 Corte transversal de un fotodiodo comercial............................................................. 25
Figura 2.18 Corte transversal de un CD ....................................................................................... 25
Figura 2.19 Descripción de espacio .............................................................................................. 26
Figura 2.20 Magnificación de la superficie del CD...................................................................... 27
Figura 2.21 Comparación de un Pit de un CD.............................................................................. 27
Figura 2.22 Lector de CD ............................................................................................................. 28
Figura 2.23 Pasos para Lectura..................................................................................................... 30
Figura 2.24 Lector de CD portátil................................................................................................. 32
Figura 2.25 Lector de CD Philips ................................................................................................. 33
Figura 2.26 Lectura de la información de un disco ...................................................................... 34
Figura 2.27 Lector propuesto por la revista “Laser Focus World”............................................... 35
Figura 2.28 Lector propuesto por el libro “Láseres, Emisores de Luz Especial”......................... 36
Figura 3.1 Esquemático del Montaje ............................................................................................ 37
Figura 3.2 Láser de He-Ne............................................................................................................ 38
Figura 3.3 Autotransformador y fuente de alimentación.............................................................. 39
Figura 3.4 Polarizador Lineal ....................................................................................................... 41
Figura 3.5 Separador de Haz (“Beamsplitter”) ............................................................................. 42
Figura 3.6 Esquemático del Separador de Haz Polarizador.......................................................... 42
Figura 3.7 Montaje del separador de haz con el retardador /4.................................................... 43
Figura 3.8 Montaje del espejo y hélice ......................................................................................... 44
Figura 3.9 Circuito Receptor ........................................................................................................ 46
Figura 3.10 Implementación del Circuito Receptor...................................................................... 46
Figura 3.11 Montaje de prueba ..................................................................................................... 47
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Figura 3.12 Forma de Onda del Receptor en el Montaje de Prueba ............................................. 48
Figura 3.13 Fuente de Alimentación para el Diodo Láser............................................................ 49
Figura 3.14 Implementación del Circuito Receptor...................................................................... 50
Figura 3.15 Diodo Láser ............................................................................................................... 51
Figura 3.16 Lente Expansora ........................................................................................................ 51
Figura 3.17 Motor DC para el disco compacto............................................................................. 52
Figura 3.18 Montaje del disco compacto...................................................................................... 53
Figura 3.19 Lente 4.9mm long. focal............................................................................................ 54
Figura 3.20 Montaje del sistema sensor para laboratorio ............................................................. 55
Figura 3.21 Onda del sistema sensor para laboratorio I ............................................................... 56
Figura 3.22 Onda del sistema sensor para laboratorio II .............................................................. 57
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RESUMEN
Se realizó el montaje de un sistema sensor para laboratorio basado en el principio del
funcionamiento de un lector de disco compacto. La idea principal de este montaje fue el de
contar con un sistema de este tipo a un nivel macro, con el cual se pudiera obtener la
información digital en tiempo real contenida en los discos compactos, haciendo uso del
osciloscopio. Además, con este sistema fue posible facilitar la comprensión de conceptos propios
de la óptica, tales como: polarización, alineamiento y enfoque del haz de un láser, utilización de
fotodiodos, diodos láser, y otros.
Se estudiaron diferentes modelos de lector de discos compactos para escoger el montaje
más óptimo a realizar en el presente proyecto dadas las herramientas con las que se contaba en el
laboratorio. El montaje del sistema se realizó en dos partes resumidas en 10 sesiones. En la
primera parte se implementó un sistema de prueba conformado por un láser de He-Ne como
emisor y un espejo en lugar del disco de audio. En la segunda parte se utilizó un diodo láser y se
implementó el disco compacto con su respectiva óptica de enfoque.
Al final del proyecto, las formas de onda obtenidas del sistema no parecieron representar
la información binaria del disco ya que presentaban cierta simetría y no cambiaban al cambiar la
posición del disco. Se dedujo que la forma de onda del osciloscopio no era efectivamente dicha
información sino una forma de onda debida a las fluctuaciones del disco producto de su
movimiento de rotación y su montaje, que contrario a la mayoría de los modelos, no fue
implementado de forma compacta sino a un nivel ampliado según lo explicado anteriormente.
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Con el uso de algún dispositivo de filtraje, tal como un amplificador digital “Lock In”,
hubiera sido posible capturar la forma de onda representativa de la información disco, la cual es
extremadamente baja en comparación con la onda dada por las fluctuaciones del disco.
Lamentablemente no se cuenta con este dispositivo o alguno similar en el laboratorio, por lo que
el presente proyecto queda como una documentación de todo el procedimiento del montaje de
este sistema sensor para que en un futuro, con las herramientas necesarias, se ejecuten las
implementaciones precisas para el correcto funcionamiento del sistema.
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CAPÍTULO 1: Introducción
Este proyecto tuvo como principal objetivo realizar el montaje y prueba de un sistema
sensor basado en los principios de lectura de un disco de almacenamiento óptico de audio,
conocido popularmente como disco compacto. Se realizó utilizando elementos optoelectrónicos
y optomecánicos, aplicando en forma profunda los conceptos teóricos de polarización,
colimación y enfoque.
Adicionalmente, se hizo un análisis que definió el mejor uso que se le
podía dar al diodo láser, para así obtener una fotodetección rápida dentro del sistema haciendo
uso de un osciloscopio.
Después del estudio de la parte teórica, se llevo a cabo el montaje de un sistema por
medio de espejos, elementos ópticos y un disco compacto; tanto el montaje como las pruebas del
sistema se realizaron en el Laboratorio de Fotónica y Tecnología Láser de la Universidad de
Costa Rica (LAFTLA). El fin de este sistema en el laboratorio fue el de contar con un equipo
capaz de adquirir la información digital en tiempo real contenida en los discos compactos
haciendo uso del osciloscopio.
Este sistema se podrá utilizar como equipo académico para cursos propios de esta área y
como equipo auxiliar para desarrollo de otros proyectos cortos y de graduación.
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1.1
Montaje y prueba de sistema sensor para laboratorio basado
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Objetivos
Realizar el montaje y prueba de un sistema sensor para laboratorio basado en los
principios de lectura de un disco compacto de audio utilizando elementos
optoelectrónicos y optomecánicos.
1.1.1 Objetivos específicos
•
Estudiar y resumir los conceptos teóricos de óptica de polarización, colimación,
enfoque, temas afines relacionados con sistemas de almacenamiento óptico y
conceptos e ideas que se aplicarán en la realización de este sistema optomecánico de
laboratorio.
•
Analizar y definir el mejor uso del diodo Láser en la fotodetección rápida para el
sistema.
•
Desarrollar un montaje optomecánico apropiado haciendo uso de un disco compacto
de audio para ser leído.
•
Montar un sistema para obtener datos en tiempo real que puedan ser usados en
diferentes estudios en el LAFTLA; mediante el cual se pueda obtener la información
digital en código binario en el osciloscopio.
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1.2
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3
Metodología
Todo el desarrollo del presente proyecto se realizó en el Laboratorio de Fotónica y
Tecnología Láser de la Universidad de Costa Rica, LAFTLA. Se investigó mediante bibliografía
propia del laboratorio y páginas web para la realización del marco teórico.
Para la elaboración del sistema sensor más óptimo para realizar el montaje se estudiaron
diferentes modelos de diferentes autores y se escogió el más apto dadas las herramientas con las
que se cuenta en el laboratorio.
Primeramente se realizó un modelo de prueba donde se utilizó un láser de He-Ne y un
espejo en lugar del disco compacto de audio, con sus correspondientes elementos ópticos. Esto
con la idea de dar más cuidado a las partes ópticas del sistema que serán detalladas más adelante
en el presente trabajo.
Después de probar que este sistema trabajara de forma óptima se cambio el láser de HeNe por un diodo láser y el espejo por el disco. Se trabajó con el enfoque óptimo del láser sobre la
superficie del disco y se montó el sistema sensor para el laboratorio.
Consecuentemente se obtuvo disponibilidad del LAFTLA al menos una vez por semana
para hacer uso del equipo de laboratorio. El montaje del sistema se realizó mediante 10 sesiones
presentadas a continuación:
•
Sesión 1: Montaje, alimentación y alineamiento del láser de He-Ne.
•
Sesión 2: Polarización del haz.
•
Sesión 3: Montaje del separador de haz (“beamsplitter”) y el retardador de /4.
•
Sesión 4: Montaje del espejo y la hélice para el equipo de prueba.
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en principios del lector de disco compacto de audio
•
Sesión 5: Montaje del circuito receptor.
•
Sesión 6: Pruebas con el sistema.
•
Sesión 7: Montaje del circuito emisor.
•
Sesión 8: Montaje del Motor para la rotación del disco.
•
Sesión 9: Montaje del disco compacto y su lente de enfoque.
•
Sesión 10: Pruebas con el sistema.
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CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
2.1
Teoría de Polarización
2.1.1
Concepto
La luz es parte del espectro de ondas electromagnéticas las cuales resultan de la
combinación de los campos eléctricos y magnéticos. Los campos de fuerza eléctrica se mueven
hacia arriba y abajo a medida que la onda electromagnética se mueve hacia delante. La figura 2.1
muestra este tipo de movimiento propio en una onda electromagnética.
Figura 2.1 Onda electromagnética
Cuando la luz no esta polarizada el giro del plano de la flecha de la figura anterior se
mantiene cambiando arbitrariamente mientras que cuando se tiene luz polarizada este plano se
mantiene fijo en una sola posición. La figura 2.2 muestra estas dos situaciones posibles dentro de
la naturaleza de la luz.
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Figura 2.2 Polarización de la luz. (a) Luz no polarizada. (b) Luz polarizada
La luz se puede descomponer en lo que se llaman sus componentes de polarización
vertical y horizontal; existen algunos materiales que posee ciertas propiedades que permiten solo
el paso de una de dichas componentes según su posición. La figura 2.3 demuestra como es
posible la descomposición de la luz de la forma ya explicada. Más adelante se especificarán las
formas de polarización más comunes dentro del estudio de la óptica.
Figura 2.3 Componentes de la luz
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2.1.2
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Tipos de Polarización
El estado de polarización puede clasificarse en lineal, circular o elíptico, según la
dirección en que oscile el vector de campo eléctrico y magnético de un tren de ondas que se
propaga.
Si existen dos componentes ortogonales lineales de campos eléctricos, estos generan
polarización elíptica, cuyo sentido de giro queda determinado por el desfase y su forma por las
magnitudes máximas de dichos componentes. Dos casos extremos de esta polarización son la
circular, donde esas magnitudes son iguales y la lineal cuando una de ellas está ausente que se
obtiene polarización lineal. En esta, el campo eléctrico oscila en una dirección fija siempre
perpendicular a la dirección de propagación.
2.1.3
Formas de Polarizar
Para obtener luz polarizada a partir de un haz no polarizado, se puede recurrir a: la
birrefringencia (el índice de refracción del material depende de la dirección), polarización por
reflexión (utilizando el ángulo de Brewster), bicronismo, actividad óptica o polarización por un
arreglo lineal entre otras cosas.
Birrefringencia
Un haz monocromático no polarizado que incida sobre un cristal birrefringente, será
dividido en dos haces que se propagan con diferente velocidad y dirección con polarizaciones
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lineales perpendiculares entre sí. Un cristal puede tener una o dos direcciones (ejes ópticos) en
que los dos rayos separados se propagan a la misma velocidad y se mantienen colineales; a estos
cristales se les denomina uniaxial o biaxial.
Los dos rayos dentro del material birrefringente se denominan: ordinario, si su trayectoria
no es desviada y su índice de refracción es constante e independiente de la dirección, y
extraordinario, si sufre desviación y no se mantiene dentro del plano de incidencia por lo que no
cumple con las leyes de la óptica geométrica; además, su índice y por lo tanto su velocidad
dependen de la dirección del campo eléctrico respecto al eje óptico.
Figura 2.4 Doble refracción dentro de un material birrefringente
Actividad Óptica
En algunos cristales que se dice que tienen actividad óptica, no existe un eje para el cual
los índices de refracción del rayo ordinario y extraordinario sean iguales. Sin embargo, existe un
eje para el cual esa diferencia es mínima, y un haz linealmente polarizado que incida
paralelamente a él, es separado en dos haces colineales polarizados circularmente, con sentidos
de rotación opuestos y velocidades de transmisión diferentes.
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El efecto de rotación producido por la diferencia de velocidad es proporcional a la
distancia propagada dentro del cristal y su forma es muy sensible a la diferencia entre el ángulo
de incidencia y el del eje óptico.
Bicronismo
El bicronismo se presenta en ciertos materiales en que hay una gran absorción en uno de
los planos de polarización cuando es atravesado por un rayo de luz. Los polarizadores planos se
fabrican con sustancias orgánicas que son metidas en láminas de plástico, que al ser estiradas
alinean sus moléculas y producen birrefringencia. Las moléculas teñidas de la sustancia, se
agrupan con las moléculas de los polímeros alineadas, produciendo gran absorción de la luz para
ese plano de polarización.
Los polarizadores lineales de este tipo se utilizan en aplicaciones de baja potencia o de
largas aberturas, además de que son de fácil instalación.
La transmisión de la luz a través de este tipo de polarizador lineal, es función del ángulo
entre el eje del rotador y el plano de polarización del haz incidente ( ) y está dada por:
T = k1 cos 2 (θ ) + k 2 sen 2 (θ )
(2.1-1)
En esta ecuación k1 y k2 se conocen como los coeficientes de transmisión principales del
polarizador y dependen de la longitud de onda utilizada. Sus valores ideales son 1 y 0,
respectivamente.
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Polarización por un Arreglo Lineal
Si la radiación incide sobre un arreglo paralelo de bandas reflectivas cuyo espaciamiento
es igual o menor a la longitud de onda, la componente de polarización paralela a la banda es
reflejada. La dificultad de fabricación de las bandas del tamaño adecuado es el factor limitante
para obtener polarización por medio del arreglo lineal.
Polarización por Reflexión
La polarización por reflexión se consigue utilizando el ángulo de Brewster o de
polarización de una lámina de material transparente, en que al incidir un rayo no polarizado el
haz transmitido es parcialmente polarizado, porque las componentes perpendiculares al plano de
incidencia son reflejadas.
Al colocar un número suficientemente grande de láminas paralelas entre sí, alineadas al
ángulo de Brewster, se obtiene un haz polarizado linealmente, debido a la transmisión de las
componentes paralelas al plano de incidencia.
Un tipo de estas láminas conocidas como ventanas pueden ser seleccionadas por sus
características de transmisión o distorsión de la luz o propiedades de polarización. Se utilizan
para aislar diferentes medios pero permitiendo el paso de radiación.
2.1.4
Dispositivos Polarizadores
Separadores de Haz
Los “beamsplitters”, o separadores de haz, polarizantes están formados por un par de
prismas unidos por su hipotenusa con una serie de capas de material dieléctrico entre ellos. Al
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incidir luz no polarizada por las caras del cubo formado se separa en dos haces que emergen por
las caras adyacentes en direcciones y polarización lineal perpendiculares entre sí. La figura 2.5
muestra el ángulo de polarización de los haces incidente y emergentes de un “beamsplitter”
polarizador. El ángulo de la polarización lineal está definido por la capa que une los prismas.
Figura 2.5 “Beamsplitter” Polarizador
Rotadores
Los rotadores o retardadores son componentes que trabajan sobre la polarización de la
luz. El más simple es una lámina de un cristal uniaxial con la dirección de su eje óptico definida.
La diferencia de velocidad entre el rayo ordinario y el extraordinario dentro del material es
ampliada en función a la distancia recorrida. Al salir del material ambos rayos se combinan de
nuevo para formar un haz con un estado de polarización determinado por el espesor del rotador.
Si la diferencia de fase entre los dos rayos es /2 o /4 se les denomina rotador de media
y cuarto de onda respectivamente. Se observa una gran dependencia respecto a la longitud de
onda utilizada.
El efecto de un rotador sobre un haz de luz polarizada depende del estado inicial de
polarización del haz incidente, la orientación del rotador respecto a su eje óptico y el valor del
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rotador. Un rotador de /2 producirá la traslación angular de las componentes lineales del haz de
entrada en la misma cantidad que las separa del eje óptico pero en la dirección contraria. El
efecto producido es de desplazar el eje de polarización un ángulo de 2 , donde
es el ángulo
entre el eje óptico y el eje de polarización del haz de entrada (o de salida). Si el haz de entrada
posee polarización circular o elíptica, el efecto de este rotador será el de cambiar el sentido de
giro. Su utilización más común es la de producir haces polarizados linealmente a diferentes
ángulos sin tener que rotar el equipo emisor. La figura 2.6 muestra el efecto de la rotación de un
haz linealmente polarizado del retardador de /2. Se observa el desfase de 2
entrada y de salida, donde
entre los rayos de
es el ángulo de cualquiera de ellos con el eje óptico.
Figura 2.6 Efecto de rotación del retardador de /2
Un rotador de /4, en el que incide un haz linealmente polarizado a ±45° del eje óptico,
producirá un haz de salida circularmente polarizado. Para otros ángulos de incidencia se obtienen
polarizaciones elípticas. Al ser el haz incidente de polarización elíptica o circular, ocurre lo
contrario ya que se produce un haz linealmente polarizado. El efecto de colocar dos rotadores de
/4 idénticamente orientados es igual al de colocar un rotador de /2. Su aplicación más común
es en los aisladores ópticos que evitan la realimentación por reflexiones. La figura 2.7 muestra el
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efecto de rotación de un haz linealmente polarizado del retardador de /4. Debe existir un
desfase de 45° entre el eje del rotador y el eje de polarización lineal del haz incidente.
Figura 2.7 Efecto de rotación del retardador de /4
2.2
Láser
En 1953 Charles Townes inventó el máser, un dispositivo que amplifica radiación
electromagnética de microondas, por el proceso de emisión estimulada. El principio del máser
condujo al desarrollo del máser óptico o láser en 1960. La característica más original del láser es
que emite luz coherente, o sea todas las porciones de la onda óptica vibra al unísono, mientras
que una fuente ordinaria de luz emite luz incoherente de longitudes de onda variadas. Un haz de
luz coherente puede ser enviado sobre largas distancias, con mucho menos divergencia que un
haz incoherente, así como puede ser enfocado a una mancha muy pequeña de extremadamente
alta intensidad.
Debido a que los láser tienen la capacidad de portar miles de mensajes simultáneamente,
ellos se han vuelto imprescindibles en telecomunicaciones por fibra óptica. Los láser han hecho
posible la tecnología de discos compactos, un medio de grabación que digitalmente almacena
audio, vídeo y texto. Un reproductor de disco compacto emplea un láser semiconductor, o diodo
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láser, para "leer" la información almacenada en el disco compacto. Entre las características
principales del láser, en comparación con otra fuente de luz, se tiene que:
•
La luz láser es intensa. No obstante, sólo ciertos láser son potentes. La intensidad
es una medida de la potencia por unidad de superficie, e incluso los láser que emiten sólo
algunos milivatios son capaces de producir una elevada intensidad en un rayo de un milímetro de
diámetro. Algunos láser pueden producir muchos miles de vatios continuamente; otros son
capaces de producir billones de vatios en un impulso cuya duración es tan sólo la mil
millonésima parte de un segundo.
•
La luz láser es coherente. Esto significa que todas las ondas luminosas
procedentes de un láser se acoplan ordenadamente entre sí. Una luz corriente, como la
procedente de una bombilla, genera ondas luminosas que comienzan en diferentes momentos y
se desplazan en direcciones diversas
•
Los láser producen luz de un solo color, o para decirlo técnicamente, su luz es
monocromática. La luz común contiene todos los colores de la luz visible (es decir, el espectro),
que combinados se convierten en blanco. Los haces de luz láser han sido producidos en todos los
colores del arco iris (si bien el más común es el rojo), y también en muchos tipos de luz
invisible; pero un láser determinado sólo puede emitir única y exclusivamente un solo color.
Direccionalidad
La radiación que sale del láser, lo hace en cierta dirección, y se dispersa con un ángulo de
divergencia ( ) definido. Esta dispersión angular del rayo láser es muy pequeña comparada con
otras fuentes de radiación electromagnética y se describe mediante un pequeño ángulo de
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divergencia (del orden de mili-radianes). En la figura 2.8, se hace una comparación entre la
radiación emitida por un láser, y la que emite una lámpara estándar.
Figura 2.8 Comparación entre la luz emitida por un láser y la que emite una lámpara
incandescente
Medida del Tamaño de la Proyección (spot):
Si se le llama a “R” el radio de la zona iluminada a una distancia “L” del láser (ver figura
2.9), y la medida del tamaño de la proyección (spot) se hace cerca del láser (cuando la
proyección es pequeña), entonces se tiene que el tamaño del haz a la salida del láser guarda la
relación:
tan
θ
2
=
R−r θ
≈
L
2
Figura 2.9 Proyección del haz
(2.2.1)
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Ya que la radiación láser tiene una divergencia muy pequeña, puede usarse la
aproximación de ángulos pequeños, de forma que se puede podemos aproximar que la tangente
del ángulo al valor propiamente del ángulo.
Sobre una pantalla, el láser produce una mancha. El diámetro de esta mancha (2R)
determina el tamaño de la proyección. Cuando la medida se hace muy lejos del láser, el tamaño
de la proyección (2R) es muy grande comparado con el tamaño del haz (2r), y resulta
suficientemente preciso medir el diámetro de la proyección y dividir éste por la distancia entre la
salida del láser y la pantalla, para calcular así la divergencia del haz.
2.2.1
Láser He-Ne
Puede hacerse que muchos elementos produzcan acción láser cuando están en estado
gaseoso. También se ha demostrado que muchas moléculas (compuestas de unos pocos átomos)
pueden producir acción láser. En un láser de gas, el medio activo del láser es un gas a baja
presión (unos pocos mili-torr).
El láser de Helio-Neon fue el láser más común hasta la aparición de los láseres de diodo
en los últimos años. El medio activo es el gas noble Neon (Ne).
En la figura 2.10 se describe el diagrama de niveles de energía de un láser de HelioNeon. Encontramos dos niveles de energía metaestables por encima de los niveles láser. El láser
de Helio-Neon tiene dos niveles láser inferiores, de modo que un número considerable de
longitudes de onda pueden provenir de las transiciones entre estos niveles
Las longitudes de onda importantes son:
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1=0.6328
[µm] (632.8nm),
2=1.152
[µm],
3
=3.3913 [µm],
17
3=0.5435
[µm]
Figura 2.10 Diagrama de Niveles de Energía del Láser de He-Ne
Los láser de He-Ne que producen una potencia de 5 [mW], habitualmente utilizan una
fuente de potencia de Alto Voltaje DC (Corriente continua) de 100 V.
El láser necesita una corriente constante (suministro constante de electrones), de forma
que se emplea un suministro de corriente estable.
Para iniciar la acción láser, se necesita ionizar el gas dentro del tubo. Esto se produce por
un pulso de máximo voltaje de la fuente de potencia. Este voltaje se conoce como “Voltaje de
Ignición” del láser. En el momento del comienzo de la descarga, la resistencia eléctrica del tubo
cae de repente a un valor bajo. Esto significa que el voltaje disminuye repentinamente, mientras
la corriente aumenta. Por lo tanto, según la ley de Ohm esto es una resistencia eléctrica negativa
(disminuye el voltaje con aumento de la corriente).
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Para superar este problema, se conecta una resistencia lastre muy cerca del ánodo, en
serie con la fuente de potencia. El papel de la resistencia lastre es limitar la corriente a través del
tubo cuando la resistencia cae.
2.2.2
Diodo Láser
Todos los láser de diodo están construidos con materiales semiconductores, y todos
muestran propiedades que son características de diodos eléctricos
Por esta razón los láser de diodo tienen otros nombres como:
•
Láser Semiconductores - de acuerdo con los materiales de los que están
compuestos.
•
Láser de Unión - ya que están compuestos por una unión p-n.
•
Láser de Inyección - ya que los electrones son inyectados en la unión mediante la
aplicación de un voltaje.
Cuando un semiconductor tipo "p" se asocia a un semiconductor tipo "n", se tiene lo que
se llama una unión p-n
Esta unión conduce la electricidad en una dirección preferencial (polarizado hacia
adelante). Este aumento direccional de la conductividad es el mecanismo habitual para todos los
diodos y los transistores en electrónica.
En la figura 2.11 se visualizan las bandas de energía de una unión p-n ideal cuando no se
aplica ningún voltaje externo. Esta disposición de las bandas en la unión, es la base de la acción
del láser diodo.
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Figura 2.11 Niveles de energía en una unión p-n cuando no se aplica un voltaje externo.
El nivel de máxima energía ocupado por electrones se denomina nivel de Fermi. Cuando
el contacto positivo de la fuente de voltaje se une a la parte p de la unión p-n, y el contacto
negativo se conecta a la parte n, la corriente fluye a través de la unión p-n. Esta conexión se
denomina “Voltaje polarizado hacia delante”.
Cuando se conecta la polaridad inversa, esta conexión es llamada “Voltaje de
polarización posterior”, y esto provoca un aumento del potencial de barrera entre la parte p y la
parte n. Ello dificulta el flujo de corriente a través de la unión p-n.
En la figura 2.12 se muestra la estructura de las capas de un láser de diodo simple.
Figura 2.12 Estructura básica de un diodo láser.
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20
Estas capas de materiales semiconductores están dispuestas de modo que se crea una
región activa en la unión p-n, en la cuál se generan fotones mediante procesos de recombinación.
Una capa de metal en las capas de arriba y abajo, permite conectar al láser una fuente de voltaje
externa. El voltaje se aplica a los contactos de metal por encima y por debajo de las capas de
semiconductor. La cara del semiconductor cristalino se corta para servir como espejos en los
extremos de la cavidad óptica.
La figura 2.13 describe la forma de la radiación electromagnética láser de un láser simple
de diodo construido en capas.
Figura 2.13 Perfil de la radiación de un láser simple de diodo.
La radiación proviene de la forma rectangular de una capa muy delgada, y se dispersa
con diferentes ángulos en 2 direcciones.
Los tamaños miniaturizados de los diodos láser requieren de un empaquetado especial
que permita usarlos cómodamente. Hay muchos tipos de ensamblajes, pero el estándar es similar
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21
al de un transistor, e incluye los colimadores ópticos básicos para producir un haz aprovechable
(véase la figura 2.14).
Figura 2.14 Empaquetado de un láser de diodo comercial.
Los diodos láser son los dispositivos más usados en la mayoría de aplicaciones relativas
al almacenamiento óptico. Entre las principales ventajas de este tipo de láser se tienen:
•
Rendimiento muy alto (más del 20% de la energía suministrada es emitida como
radiación láser).
•
Alta fiabilidad.
•
Tiempo de vida muy largo.
•
Precio muy barato - Los diodos láser se fabrican utilizando técnicas de
producción a gran escala utilizadas en la industria electrónica.
•
Posibilidad de realizar la modulación directa de la radiación emitida, controlando
la corriente eléctrica a través de la unión p-n. La radiación emitida es función
lineal de la corriente y puede llegar a una velocidad de modulación de decenas de
GHz.
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•
Pequeño peso y volumen.
•
Corriente umbral muy baja.
•
Bajo consumo de energía.
•
Bandas espectrales estrechas, las cuales pueden ser de unos pocos KHz en láser
de diodo especiales.
2.3
Fotodetector
El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una
característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente
eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide. Esta corriente eléctrica fluye en sentido
opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga.
Figura 2.15 Fotodiodo
El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en
electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un
cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.
Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido
de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se
comportaría como un diodo semiconductor normal.
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La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de
luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.
Características
El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón hueco debido a la energía luminosa. La generación luminosa tiene una mayor incidencia en los
portadores minoritarios que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en
inversa.
El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la
incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de
fugas. Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P
y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento
sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en
inversa tal y como se ve en la siguiente figura.
Figura 2.16: Curvas características de un fotodiodo
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El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación
luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores
mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa.
Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros:
•
Se denomina corriente oscura (“dark current”), a la corriente en inversa del fotodiodo cuando
no existe luz incidente.
•
Se define la sensibilidad del fotodiodo al incremento de intensidad al polarizar el dispositivo
en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes o en mW/cm2.
El modelo circuital del fotodiodo en inversa está formado por un generador de intensidad
cuyo valor depende de la cantidad de luz. En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo
normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente
0,7 V.
Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de
respuesta menor, sin embargo solo pueden conducir en una polarización directa corrientes
relativamente pequeñas.
Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido que
necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosos para
incidir en la unión PN. En la Figura 2.17, aparece una geometría típica. Por supuesto, el
encapsulado es transparente a la luz.
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25
Figura 2.17 Corte transversal de un fotodiodo comercial
2.4
El disco Compacto
Un disco compacto o CD, es un disco hecho de un material plástico llamado
policarbonato, en el que se ha hecho pozos (agujeros) siguiendo una especie de circuito en
espiral, y sobre el cual se han aplicado lacas y plásticos protectores para reducir la posibilidad de
que alguno de estos pozos se llene o se creen nuevos. Esta definición es idéntica en los cd-a (CD
de audio), CD-ROM (CD de sólo lectura de los ordenadores), DVD…etc.
La figura 2.18 muestra el corte transversal de un disco compacto. La parte de arriba es en
la que se puede escribir o imprimir la etiqueta, sobre una capa de acrílico. Después va lo que es
la información que está codificada sobre una placa de aluminio reflectante, después va la capa
protectora de policarbonato, que es la cara por la que lee el lector de CD.
Figura 2.18 Corte transversal de un CD
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26
Por otro lado, la figura 2.19 da una descripción de cómo esta distribuido el espacio en
este tipo de almacenador óptico. Tiene 12 cm de diámetro, con un agujero central cuyo diámetro
mide 15 mm. La información digital del disco se almacena en un área que comienza a 25 mm del
centro y se extiende hasta los 58 mm.
Bordeando esta área existen dos anillos o guías, uno interno y otro externo. La guía
interna contiene la tabla de contenidos del disco (lead in), y permite al láser sincronizarse y saber
el contenido de información de audio o los datos antes de proceder a su lectura. La longitud de la
guía interna depende de las dimensiones de la tabla de contenidos. A continuación viene la
información del C.D., capaz de almacenar hasta unos 76 minutos de audio y 99 pistas como
máximo. Finalmente se encuentra la guía externa (lead out), que marca el fin de los datos (1 mm
de ancho). Este esquema es válido tanto para discos compactos de audio como de datos, aunque
puede haber variaciones sobre todo en formatos híbridos (audio + datos).
Figura 2.19 Descripción de espacio
Al igual que los discos de vinilo, la información de un CD está grabada en forma de
diminutos salientes practicados a lo largo de una espiral continua, iniciándose en el interior y
continuando hacia el borde externo. En un disco de 74 minutos la longitud total del surco
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sobrepasa los 5 kilómetros, y su reproducción implica más de 20,000 revoluciones del disco.
Cada estría tiene un diámetro aproximadamente de 0.5 µm y una separación de
aproximadamente 1.6 µm. Ver la figura 2.20
Figura 2.20 Magnificación de la superficie del CD
Todos los discos compactos de audio deben girar con una rapidez lineal constante (1.3
m/s). Esto significa que, en cada segundo, el lector explora un tramo cuya longitud es de 1.3
metros. Como la espiral va aumentando su diámetro a medida que transcurre la reproducción, el
giro del disco (rapidez angular) va disminuyendo para mantener constante la rapidez lineal. Esto
puede observarse en un reproductor provisto de ventanilla. En la siguiente gráfica, se puede ver
el tamaño de un agujero de un CD, comparado con una huella dactilar, polvo, pelo humano y una
bolita de algodón. También dice el gráfico que el tamaño de un agujero de CD, es igual a la
longitud de onda del color verde. El CD como se puede observar, se lee desde abajo, atravesando
el policarbonato, por lo que realmente no se leen agujeros y no agujeros, sino que se leen
salientes y no salientes.
Figura 2.21 Comparación de un Pit de un CD
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2.5
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28
El Lector de Disco Compacto
Un lector de discos compactos está compuesto básicamente de un diodo láser, un
fotodetector, de silicio principalmente, y una óptica de lentes. La figura 2.22 da un esquema
general de un lector de disco compacto.
Figura 2.22 Lector de CD
En el cabezal hay un emisor de rayos láser que dispara un haz de luz hacia la superficie
del disco, y que tiene también un fotoreceptor (foto-diodo) que recibe el haz de luz que rebota en
la superficie del disco. El láser suele ser un diodo AlGaAs con una longitud de onda en el aire de
780 nm. (Cercano a los infrarrojos, nuestro rango de visión llega hasta aproximadamente 720
nm. Por lo que nos resulta una luz invisible, pero no por ello no dañina. No debemos mirar nunca
un haz láser. La longitud de onda dentro del policarbonato es de un factor n=1.55 más pequeño
que en aire, es decir 500 nm.
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Un motor hace girar el disco compacto y otro mueve el cabezal a lo ancho del disco. Con
estos dos mecanismos tenemos acceso a todo el disco. El motor se encarga de la C.L.V.
(velocidad lineal constante), que es el sistema que ajusta la velocidad del motor de manera que
su velocidad lineal sea siempre constante. Así, cuando el cabezal de lectura está cerca del borde
el motor gira más despacio que cuando está cerca del centro. Este hecho dificulta mucho la
construcción del lector pero asegura que la tasa de entrada de datos al sistema sea constante. La
velocidad de rotación en este caso es controlada por un microcontrolador que actúa según la
posición del cabezal de lectura para permitir un acceso aleatorio a los datos. Los CD-ROM,
además permiten mantener la velocidad angular constante; la C.A.V. (velocidad angular
constante)
Pasos que sigue el cabezal para la lectura de un CD:
1. Un haz de luz coherente (láser) es emitido por un diodo de infrarrojos hacia un espejo
que forma parte del cabezal de lectura, el cual se mueve linealmente a lo largo de la
superficie del disco.
2. La luz reflejada en el espejo atraviesa una lente y es enfocada sobre un punto de la
superficie del CD.
3. Esta luz incidente se refleja en la capa de aluminio, atravesando el recubrimiento de
policarbonato.
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Figura 2.23 Pasos para Lectura
La idea aquí es que la luz que llega al llano (parte dos de la gráfica) viaje 1/4 + 1/4 = 1/2
de la longitud de onda (en la figura se ve que la onda que va a la zona sin saliente hace medio
período, rebota y hace otro medio período, lo que devuelve una onda desfasada medio período
cuando va a la altura del saliente), mientras que cuando la luz rebota en un saliente, como se
puede ver en la primera parte de la figura la señal rebota con la misma fase y período pero en
dirección contraria. Esto hace que se cumpla una propiedad de la óptica-física que dice que una
señal que tiene cierta frecuencia puede ser anulada por otra señal con la misma frecuencia, y
misma fase pero en sentido contrario, por eso la luz no llega al fotoreceptor, se destruye a sí
misma.
Se da el valor 0 a toda sucesión de salientes (cuando la luz no llega al fotoreceptor) o no
salientes (cuando la luz llega desfasada ½ período, que ha atravesado casi sin problemas al haz
de luz que va en la otra dirección, y ha llegando al fotoreceptor), y damos el valor 1 al cambio
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31
entre saliente y no saliente, teniendo así una representación binaria. (Cambio de luz a no luz en
el fotoreceptor 1, y luz continua o no luz continua 0).
4. La luz reflejada se encamina mediante una serie de lentes y espejos a un fotodetector que
recoge la cantidad de luz reflejada.
5. La energía luminosa del fotodetector se convierte en energía eléctrica y mediante un simple
umbral nuestro detector decidirá si el punto señalado por el puntero se corresponde con un
cero o un uno.
Componentes de un Lector de CD
El lector de disco compacto tiene el trabajo de encontrar y leer información almacenada
dentro de un disco compacto mediante el procedimiento de “pits” explicado con anterioridad.
Considerando lo pequeños que son los “pits”, o estrías, el lector de disco compacto es un equipo
excepcionalmente preciso.
Tomando como ejemplo el equipo lector de un sistema portátil de disco compacto
(“discman”); se puede dividir el equipo en tres componentes fundamentales:
•
Un motor (“drive motor”) que se encarga de darle vueltas al disco. Este componente es
precisamente controlado para hacerlo rotar a una velocidad de entre 200 y 500 rpm
dependiendo de la pista que está leyendo en el momento.
•
Un láser y un sistema de lentes concentrado en la lectura de las estrías.
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•
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32
Un mecanismo que se encarga de mover el montaje del láser para que el láser pueda
seguir las pistas en forma de espiral. Este sistema tiene que ser capaz de mover el láser a
micro resoluciones.
La figura 2.24 muestra la fotografía de un lector de este tipo:
Figura 2.24 Lector de CD portátil
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2.6
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33
Otros Modelos de Lector de Disco Compacto
El detector que se muestra en la figura 2.25, es el tipo utilizado en la última generación
de reproductores elaborados por la compañía holandesa Philips.
Figura 2.25 Lector de CD Philips1
En este modelo, un láser semiconductor dirige luz hacia la superficie del disco mediante
un espejo parcialmente reflejante y lente colimadora. La mayor parte de la luz que incide en el
espejo parcialmente reflejante es reflejada hacia el disco, aunque una pequeña parte se pierde
debido a la absorción en las superficies del espejo y la transmisión a través de ellas. La lente
colimadora dirige luz paralela hacia la lente de enfoque y de esta forma se asegura que el
enfoque sea independiente de la longitud de la trayectoria del haz. Una segunda lente enfoca la
luz láser sobre la superficie del disco. La luz reflejada por el disco regresa a lo largo de la
1
Desmarais, L. “Applied Electro Optics”, pag 56.
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34
trayectoria óptica y, esta vez, pasa directamente a través del espejo parcialmente reflejante hasta
una lente en forma de cuña y luego hacia el detector.
La lente en forma de cuña divide el haz incidente en dos haces de salida que se dirigen
hacia arreglos separados de doble fotodiodo a fin de proporcionar información de enfoque y
rastreamiento. La lente también corrige cualquier “astigmatismo” introducido en el espejo.
Tres mecanismos diferentes son responsables del regreso de la luz que cae sobre la
superficie del disco: reflexión, interferencia y difracción. Si el punto que la luz enfoca cae sobre
una “superficie entre estría”, entonces la elevada capacidad reflectora del disco da por resultado
que casi toda la luz se refleje de regreso a lo largo de la trayectoria del haz (ver figura 2.26). Sin
embargo, si el punto cae parcial o totalmente sobre una estría, entonces habrá una reducción en
la intensidad de haz regresado, debido a los efectos combinados de difracción e interferencia.
Figura 2.26 Lectura de la información de un disco
Por consiguiente, la potencia radiante de la señal óptica reflejada se modula según el
patrón de estrías y superficies entre estrías en el disco. La salida resultante del fotodetector se
envía al procesador de señales.
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35
La revista “Laser Focus World”2 propone otro modelo de lectura de disco compacto de
audio, tal como lo muestra la figura 2.27.
Figura 2.27 Lector propuesto por la revista “Laser Focus World”
Los requerimientos de potencia del diodo láser de este modelo son típicamente de 3mW o
menos y usualmente son de GaAlAs dentro de una región espectral de 780 840nm. Después de la
colimación, la óptica circular debe de ser usada para corregir el haz elíptico del diodo láser. Si el
haz no se hace circular, no podrá ser enfocado al disco óptico.
El beamsplitter (o separador de haz) polarizador y la placa de 1/4 de onda hacen salir la
luz del láser de la reflexión de retorno del disco. También ayudan a atenuar el ruido de
retroalimentación ya que la polarización del frente de onda es rotado 90° y desviado al detector.
La luz láser modulada retornando del disco óptico es disparada a el canal de detección
por el separador de haz polarizante. Allí el detector convierte las modulaciones en señales
eléctricas que representan música. Para cumplir esta tarea, un lente astigmático enfoca la luz
reflejada del disco al detector.
2
Higgins, T. “Technologies merge to create high-density data storage”. Laser Focus World, pag. 61
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36
Finalmente, del libro “Láseres, emisores de luz especial”3 se toma el modelo
representado a continuación mediante la figura 2.28.
Figura 2.28 Lector propuesto por el libro “Láseres, Emisores de Luz Especial”
La lectura se realiza con un diodo láser, que desempeña un papel equivalente Al de la
aguja en un tocadiscos tradicional. Interpreta como 1 el principio de una protuberancia y como 0
zonas sin cambios. El haz procedente de un diodo láser, después de atravesar una lente de
colimación, llega al divisor polarizado que divide en dos, enviando una parte del mismo al
detector y la otra a la superficie del disco.
Las protuberancias del disco difunden la luz e impiden su retorno al detector, el cual
registra esta disminución en la intensidad del haz. Las variaciones de intensidad se convierten en
dígitos que se transforman en la audioseñal a través de un convertidor digital a analógico.
3
Casalderrey, M. “Láseres Emisores de Luz”, pag. 112
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37
CAPÍTULO 3: Montaje del Equipo
Después de estudiar los diferentes modelos de lectura para discos de almacenamiento
óptico, se optó por realizar el montaje mostrado en la figura 3.1.
Figura 3.1 Esquemático del Montaje
Al primer montaje se le llamo “montaje de prueba”. En este sistema se implementó un
láser de He-Ne en lugar del diodo láser y un espejo en sustitución del disco de audio. Al espejo
se le acopló una hélice con la cual fue posible interrumpir el haz por intervalos específicos de
tiempo. Mediante este montaje se implementaron todos los elementos ópticos de polarización,
filtraje y de separación de haz. Se implemento este sistema de una manera preliminar para
enfocarse primero únicamente en los elementos ópticos del sistema y relacionarse con el láser de
He-Ne.
Posterior a esto, se realizó el montaje del sistema sensor incluyendo el diodo láser y el
disco compacto en el nuevo sistema. Mediante una lente se hizo el enfoque necesario para poder
obtener una onda binaria, la cual representó la información contenida en el disco.
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38
A continuación se detalla cada sesión mediante la cual se ejecutó el montaje del sistema
sensor. Como se mencionó con anterioridad, el montaje se realizó mediante 10 sesiones en el
LAFTLA, ejecutando las respectivas pruebas por partes para
asegurar el efectivo
funcionamiento del equipo como un todo.
3.1
Sesión #1: Montaje, alimentación y alineamiento del láser de He-Ne
Para la primera parte del montaje se optó por utilizar inicialmente un láser de He-Ne de
5mW en lugar del diodo láser para lograr más familiarización con este tipo de dispositivo. La
figura muestra el láser utilizado en el laboratorio. Este láser es del fabricante NEC y su montaje
es del fabricante Edmund Industrial Optics. La breadboard usada para el montaje de todo este
sistema pertenece al fabricante Newport.
Figura 3.2 Láser de He-Ne
La fuente de alimentación de este láser es de 100v, por lo cual se tuvo que hacer uso de
un auto trasformador para pasar el voltaje A.C. a 100v dentro de un rango de error bajo. La
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figura 3.3 muestra el auto transformador en la parte de arriba y la fuente de alimentación para el
láser en la parte de abajo.
Figura 3.3 Autotransformador y fuente de alimentación
Se prosiguió a darle alineamiento al láser; ya que de su teoría se sabe que su haz es un
haz divergente por lo cual se le debe dar un alineamiento inicial para eliminar este defecto.
Se detecta la divergencia del haz del láser mediante una pantalla de observación colocada
en un porta-componentes. Al dibujar una pequeña cruz en la pantalla de observación y enfocar el
haz en su centro, se nota que este punto se va desplazando de su punto de origen conforme
alejamos la pantalla de observación del láser mediante el porta-componentes. Este fenómeno
demuestra como el haz diverge cada vez más conforme viaja una longitud más larga.
Este defecto en el haz del láser acarreará problemas para la parte de detección por lo cual
se intentó eliminar dicha divergencia mediante un ajuste en los 6 tornillos que forman parte del
montaje del láser, tal como lo muestra la figura 3.2. A través de varios pequeños ajustes a dichos
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40
tornillos se logró darle un alineamiento bastante aceptable, ya que su divergencia ya no era tan
significativa si se medía mediante el método mencionado con anterioridad.
3.2
Sesión #2: Polarización del Haz
Se prosiguió a averiguar si este haz estaba polarizado y en caso contrario, polarizarlo.
Mediante un set de polarizadores del fabricante Edmund Optics, se hizo una prueba para
averiguar si el haz estaba polarizado. Al inspeccionar los componentes lineales del haz
provenientes del láser, se puede observar si existe alguna orientación en sus magnitudes. Se
utiliza un polarizador lineal que es rotado alrededor del eje de propagación de la luz.
La ausencia de variaciones representativas en el haz enfocado en la pantalla de
observación permite comprobar que el haz incidente posee componentes en todas las direcciones
del frente de onda, por lo cual se comprueba que este láser posee un haz no polarizado.
La polarización del láser se obtiene al introducir un polarizador lineal en la trayectoria
del haz tal como lo muestra la figura 3.4. Para comprobar que este haz está efectivamente
polarizado linealmente, se coloca un segundo polarizador exactamente después del primer
polarizador y se comienza a rotar a diferentes ángulos.
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Figura 3.4 Polarizador Lineal
Al tener los dos polarizadores a una diferencia angular de 90°, no se observa el haz
incidente en la pantalla de observación. Esto debido a que el primer polarizador permite
únicamente el paso de las componentes lineales del haz en una dirección definida (para este caso
las componentes verticales), mientras que el segundo polarizador, debido a estar a una diferencia
de 90° con respecto al eje óptico, permite únicamente que pasen las componente horizontales del
haz, que debido al primer polarizador, ya no las hay.
Mediante este método, al retirar el segundo polarizador, se sabe que el haz que incide en
la pantalla de observación esta polarizado linealmente en forma vertical.
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3.3
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Sesión #3: Montaje del separador de haz (“beamsplitter”) y el
retardador de /4
Al tener el haz debidamente polarizado en forma vertical se prosiguió a pasar dicho haz a
través de un separador de haz (“beamsplitter”) polarizador. La figura 3.5 muestra una fotografía
del separador usado en el montaje y la figura 3.6 muestra un esquema de la polarización que
recibe cada haz separado.
Figura 3.5 Separador de Haz (“Beamsplitter”)
Figura 3.6 Esquemático del Separador de Haz Polarizador
Se tienen dos haces, el primero no cambia su trayectoria y su polarización es horizontal,
mientras que el segundo haz cambia su dirección y se convierte en un haz perpendicular al haz
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incidente además de tener una polarización vertical. El segundo haz no se va a utilizar por lo cual
es suficiente poner una placa de papel para detener el haz. Este fenómeno sucede cuando el haz
incidente en el separador es no polarizado.
Para el caso de la implementación de este sistema en que el haz incidente es polarizado;
el haz paralelo sigue con la misma polarización mientras que el haz desviado por el polarizador
sale sin ningún tipo de polarización.
El haz trasmitido a través del separador que no cambia su estado e polarización, se hace
atravesar por un retardador de /4 el cual convierte su polarización lineal en polarización circular
en sentido horario. La figura 3.7 muestra el montaje tanto del “beamsplitter” como del retardador
de /4.
Figura 3.7 Montaje del separador de haz con el retardador /4
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3.4
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en principios del lector de disco compacto de audio
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Sesión #4: Montaje del espejo y la hélice para el equipo de prueba.
Inicialmente se usó un espejo en lugar de un disco compacto y se empleó una pequeña
hélice con un motor DC para dar el efectuó de lectura y no lectura por parte del haz incidente en
el espejo. Este motor recibe una alimentación de 3v. Esto se realizó de esta forma para poder
concentrarse únicamente en los fenómenos de polarización causados por todos los elementos
ópticos y no preocuparse aún por lo referente al enfoque correspondiente al disco compacto. La
figura 3.8 muestra el montaje del espejo con la hélice.
Figura 3.8 Montaje del espejo y hélice
El haz polarizado circularmente (en sentido horario) al incidir sobre el espejo, cuando la
hélice lo permite, es reflejado en el mismo pero con un cambio en su sentido de polarización
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circular; (antihorario). Este efecto produce que el haz al volver a pasar por el retardador esta vez
solo su componente horizontal incida sobre el separador de haz.
Este haz reflejado que incide en el separador se divide en dos. El haz que no cambia su
dirección ni su sentido de polarización llega al polarizador lineal ubicación enfrente del diodo
láser. Este polarizador permite pasar únicamente la componente vertical del campo
electromagnético por lo cual esta componente reflejada al ser horizontal no lograr atravesar este
polarizador.
El otro haz es perpendicular al que incidió en el separador y tiene una polarización rotado
90°, lo cual lo convierte en un haz con polarización horizontal. Este haz es el que será enviado al
detector; ya que existe únicamente cuando la hélice permite que el haz incidente llegué al espejo.
3.5
Sesión #5: Montaje del circuito receptor.
Se armó el circuito para el fotodetector usando un fotodiodo del fabricante Hamamatsu
modelo4 S2386, dentro de una configuración, recomendada por el mismo, llamada “Conexión de
Voltaje Reverso”. Este tipo de circuito recibe este nombre ya que se alimenta positivamente el
cátodo del fotodiodo tal como lo muestra la topología de la figura 3.9.
4
Ver su respectiva hoja del fabricante en la sección de Apéndices
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en principios del lector de disco compacto de audio
46
Figura 3.9 Circuito Receptor
Este circuito tiene una velocidad de respuesta bastante alta y una excelente corriente de
oscuridad (dark current). El capacitor de ceramica C es usado para permitir una reducción de la
impedancia de base; su valor es de 0.01u. El resistor R es utilizado para proteger al fotodiodo y
se escogió un valor de 10K
para tener una corriente de 0.5mA a través del detector
alimentándolo con un voltaje de 5 Vdc. A la resistencia de carga, RL, se le dio un valor de 220
K
La figura 3.10 muestra dos configuraciones de este tipo iguales armadas en una protoboard;
no obstante para fines del proyecto se utilizó únicamente una sola configuración.
Figura 3.10 Implementación del Circuito Receptor
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El rango de respuesta espectral de este dispositivo es de 320 a los 1100nm, por lo cual es
adecuado para trabajar con láser de He-Ne ( =632.8nm). Los tiempos de respuesta de este
dispositivo se encuentran en el rango de los picosegundos, lo cual también es una característica
importante para los elementos de lectura de un disco compacto. Se implemento un espejo para
desviar este haz hacia el receptor que se ubica sobre la breadboard.
3.6
Sesión #6: Pruebas con el sistema.
Con todos los componentes montados sobre la breadbroad tal como lo muestra la figura
3.11, se tiene lo que se va a llamar un montaje de prueba. Con este sistema y mediante el
receptor mencionado con anterioridad, se tomaron las primeras señales en el osciloscopio. Lo
que se obtuvo como respuesta fue un tren de pulsos (altos y bajos) dado por el efecto de la hélice
de cortar el haz por intervalos. El ancho de cada pulso depende de la velocidad con que gire la
hélice, la cual a su vez depende del voltaje con que se alimenta su motor.
Figura 3.11 Montaje de prueba
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Con el presente montaje de prueba funcionando se tomo la forma de onda dada por el
osciloscopio. Cabe decir, que el osciloscopio con el que se cuenta en el laboratorio no cuenta con
el programa de captura WaveStar para adquirir la forma de onda de su pantalla. Debido a esto, lo
que se hizo fue guardar la onda en formato CVS, el cual lo que hace es guardar mil pares
ordenados para poder representar la onda en una hoja de cálculo como Excell. La figura 3.12
muestra la forma de onda que se obtuvo con la implementación de este equipo de prueba.
Onda Montaje Prueba
0.025
Voltaje (V)
0.02
0.015
0.01
0.005
0
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
Tiempo (s)
Figura 3.12 Forma de Onda del Receptor en el Montaje de Prueba
La presente figura nos muestra una onda simétrica donde los tiempo en bajo se deben a
los intervalos donde la hélice bloque el haz por lo cuál la salida en el receptores nula, mientras
que los tiempos en alto se debe al haz reflejado que al llegar al separador nuevamente se separa
para llevar una señal al receptor. Esta señal demuestra como los dispositivos ópticos
implementados hasta el momento trabajaban de una manera correcta.
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3.7
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en principios del lector de disco compacto de audio
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Sesión #7: Montaje del circuito emisor
Al tener el montaje de prueba funcionando de una forma satisfactoria se prosiguió a
realizar el montaje propiamente del sistema sensor para el laboratorio. Para esto se reemplazó el
láser He-Ne por el diodo láser y el espejo y su hélice por el disco compacto y su respectiva
óptica de enfoque.
Se armó la fuente de alimentación que se usó para poder operar el diodo láser en onda
continua (sin modulación de intensidad) tal como lo muestra la figura 3.13. Este diagrama del
circuito permite que no exista control de temperatura para la intensidad de salida del haz para
diferentes variaciones de temperatura.
Figura 3.13 Fuente de Alimentación para el Diodo Láser
Para construir este circuito se contó con una fuente de poder variable. El valor de R2 se
calculó para producir la corriente de salida deseada para un voltaje de operación dada la máxima
corriente que permita el diodo láser. Cuando el interruptor es cerrado, lentamente se incrementa
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el voltaje de la alimentación al nivel deseado mientras se monitorea el amperímetro por
sobrecorriente. Los valores tanto de R1 como R2 son de 200
lo que produce un voltaje de
5voltios en el diodo láser.
La figura 3.14 muestra la implementación del circuito para el diodo láser utilizado en el
presente trabajo.
Figura 3.14 Implementación del Circuito Receptor
El diodo láser que se escogió para esta aplicación fue el modelo 133292CR del fabricante
JAMECO. Este diodo láser tiene un voltaje de operación entre los 4 y 6 voltios y una salida
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máxima de 4mW5, su longitud de onda es de 660nm. La figura 3.15 muestra el diodo láser
conectado al circuito de alimentación detallado anteriormente.
Figura 3.15 Diodo Láser
Este dispositivo se utilizo con una lente expansora la cual a su vez permitió polarizar el
haz del diodo láser, por lo cual se pudo prescindir de utilizar el montaje del polarizador mostrado
en la figura 3.4. La siguiente figura muestra la lente usada. Este lente es también del fabricante
JAMECO y esta diseñada para funcionar de una forma acoplada con este diodo láser.
Figura 3.16 Lente Expansora
5
Ver los apéndices
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3.8
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52
Sesión #8: Montaje del Motor para la rotación del disco
Como se detalló con anterioridad en la sección 2.5, para lograr una lectura del disco de
audio se necesita tanto de un movimiento de rotación por parte del disco como de un movimiento
de traslación por parte del diodo láser para lograr una lectura sobre toda su superficie.
En lo referente al movimiento de rotación del disco compacto, este se logró mediante un
motor D.C. Este motor se consiguió después de desarmar una unidad de lectora disco compacto
móvil, tal como la que se muestra en la figura 2.24. La alimentación de este motor es de 4.5v, la
cual permite que el disco gire a una velocidad de entre 200rpm y 500rpm. La figura 3.17 muestra
el motor extraído de la unidad lector móvil sobre su montaje optomecánico correspondiente.
Figura 3.17 Motor DC para el disco compacto
A este motor se le hizo un montaje optomecanico para poder tener el disco en posición
vertical a una altura especifica para que el haz del láser llegara a algún punto de su superficie. Se
ajusto el punto del haz sobre las zonas de la superficie cercanas a su centro, ya que esa zona es
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donde el disco se ve menos afectados por las fluctuaciones ocasionadas por el motor al hacerlo
girar. La figura 3.18 muestra el montaje final del disco para el sistema sensor.
Figura 3.18 Montaje del disco compacto
3.9
Sesión #9: Montaje del disco compacto y su lente de enfoque
En esta última sesión de montaje, se implementó finalmente el disco compacto y su
respectivo enfoque para que el láser fuera capaz de reconocer las estrías sobre la superficie del
disco.
Se hizo uso de una lente de longitud focal de 4.9mm mediante la cual se logró enfocar el
haz con suficiente precisión sobre la superficie del disco. Esto es necesario ya que solo mediante
este enfoque de precisión el fotodetector es capaz de sensar la diferencia entre cuando el haz lee
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una estría o cuando el haz lee una superficie entre estrías. La figura 3.19 muestra la lente
utilizada en el montaje.
Figura 3.19 Lente 4.9mm long. focal
Al tener todos estos componentes con su debido montaje sobre la breadboard, es de vital
importancia el asegurarse que es haz tenga un alineamiento adecuado a la hora de atravesar cada
uno de los componentes. Esto especialmente con el haz reflejado de la superficie del disco el
cual tiene que devolverse exactamente por la misma trayectoria que el rayo incidente. Con el haz
alineado meticulosamente se toma la forma de onda mediante el osciloscopio. La figura 3.20
muestra el montaje completo del sistema sensor para el laboratorio.
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Figura 3.20 Montaje del sistema sensor para laboratorio
3.10
Sesión #10:Pruebas con el sistema
La siguiente gráfica de Excell muestra la salida captada en el circuito receptor; el hecho
de tener cierta simetría en la onda pone en duda el hecho de que la misma sea la información en
código binario del disco compacto de audio usado en esta prueba.
Se sabe que este sistema al no contar con un movimiento de traslación por parte del láser
sobre la superficie del disco, solamente tiene la capacidad de leer una pequeña franja de la
información contenida. No obstante no tiene sentido que dicha información sea una onda
cuadrada simétrica como la mostrada.
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Onda del sistema sensor para el laboratorio
0.025
Voltaje (V)
0.02
0.015
0.01
0.005
0
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Tiempo (s)
Figura 3.21 Onda del sistema sensor para laboratorio I
De lo anterior se infiere que la onda capturada muestra, nuevamente, las fluctuaciones
producidas en el disco debidas al movimiento de rotación producido por el motor. Debido a esto
se hicieron diversos ajustes con diferentes lentes de enfoque para poder tener una forma de onda
que representará la información binaria del disco.
El principal problema encontrado al intentar hacer este ajuste fue el de no contar con un
sistema capaz de filtrar el tren de ondas producido por las ya mencionadas fluctuaciones que
permtiera observar únicamente la onda representativa de información. La siguiente figura
muestra la forma de onda obtenida al hacer un ajuste con un lente de enfoque obtenida
propiamente de un lector de disco compacto móvil
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Onda del sistema sensor para el laboratorio
0.04
0.035
0.03
Tiempo (s)
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
-0.15
-0.1
-0.05
-0.005 0
0.05
0.1
0.15
Voltaje (V)
Figura 3.22 Onda del sistema sensor para laboratorio II
La gráfica anterior demuestra como inclusive con un ajuste mejor, la onda que se obtiene
sigue mostrando simetría, por lo cual lo que representa es un movimiento ondulatorio en el disco
debido a la velocidad con la que se hace girar con el motor.
Se trabajó con el montaje del motor para tratar de eliminar estas irresoluciones
producidas; pero se encontró con uno de los problemas principales de este tipo de sistema tratado
de implementar en el presente proyecto Los sistemas de lectura para discos de almacenamiento
óptico siempre se diseñan de la manera más compacta posible para eliminar de ante mano
cualquier tipo de señal no deseada que interfiera en la señal buscada de datos. Partiendo de aquí
se tiene que la idea de ejecutar este tipo de sistema lector de una manera macro (representativa)
contradice el principio del diseño compacto ya mencionado, por lo cual las pruebas realizadas al
mismo derivan en ondas que no representan la información del disco, sino un movimiento
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simétrico del disco debido al movimiento de rotación al que es sometido y la mecánica de su
montaje.
En lo referente a los sistemas de filtraje tratados de implementar al sistema para eliminar
esta onda no deseada; se buscó implementar un amplificador digital Lock In, el cual se utiliza en
aplicaciones donde la onda que se quiere recuperar es demasiado tenue. Mediante este tipo de
amplificador es posible inclusive eliminar otras señales no deseadas que no permiten capturar
ondas específicas. Este tipo de amplificador no se encuentra disponible dentro del equipo de
laboratorio por lo cual tal implementación fue imposible de realizar.
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59
CAPÍTULO 4: Conclusiones y recomendaciones
Básicamente se realizó un montaje de un sistema sensor para el LAFTLA que basó su
funcionamiento en el de un lector para un disco compacto de audio. Este montaje se ejecutó de
una manera macro ya que de esta forma es posible que facilite la conceptualización de ciertos
temas de la óptica impartidos en la Escuela de Ingeniería Eléctrica.
El proyecto constó de dos partes fundamentales derivadas hacia el mismo objetivo. La
primera fue un montaje de prueba donde se utilizó un espejo para obtener un haz reflejado y
estudiar las respectivas formas de onda obtenidas. En la segunda parte se implementó el disco
compacto de audio y se hicieron las respectivas pruebas para obtener su información en formato
binario.
En la primera parte del proyecto se describió un sistema óptico mediante el cual fue
posible obtener una onda binaria resultante del sistema de prueba descrito en el capítulo 3. Se
utilizaron conceptos teóricos de polarización y divergencia. Esto debido a que para la realización
de este sistema se utilizó un láser de He-Ne, el cual emite un haz sin polarización y con una
divergencia significante si no se ejecutan los respectivos pasos de alineamiento. A su vez se
utilizaron estos mismos conceptos de polarización para la implementación de un separador de
haz mediante el cual fue posible obtener una fotodetección de la manera requerida por el sistema.
Se hicieron circuitos electrónicos tanto para la emisión como para la detección de la luz
utilizando elementos optoelectrónicos con los cuales fue posible la implementación del sistema.
El funcionamiento de dichos circuitos cumplió con los requerimientos del sistema y no
influenciaron en su funcionamiento.
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El circuito de emisión se utilizó para la segunda parte del proyecto donde se trabajó con
un diodo láser. Lo primordial para esta segunda prueba fue el lograr un enfoque óptimo para
lograr una lectura sobre la superficie del disco mediante la óptica adecuada. Se probaron con
diferentes lentes de enfoque pero no se obtuvo una forma de onda en el osciloscopio que con
seguridad mostrara la información contenida en el disco de audio.
El problema principal por el que no se obtuvo la forma de onda deseada se debió a que el
presente sistema al realizarse de una forma ampliada y no compacta, produce irresoluciones
significativas en el disco compacto cuando el mismo comienza a girar. Al hacer cualquier tipo de
enfoque, la única onda captada en el osciloscopio fue una onda de simetría que lo que representa
eran estas irresoluciones presentes debido al tipo de montaje realizado.
Dentro de la búsqueda de posibles soluciones para el problema descrito con anterioridad
se tiene el de la implementación de un amplificador digital Lock In. Este tipo de amplificador se
utiliza en aplicaciones donde la onda a sensar es de un voltaje muy bajo (inclusive nV). Además
este amplificador tiene la capacidad de eliminar señales no deseadas que imposibilitan la
obtención de señales requeridas. Lamentablemente el LAFTLA no cuenta todavía con este tipo
de instrumento por lo que se recomienda la implementación del mismo en este montaje para
futuros proyectos.
El presente sistema óptico, en teoría, solo debía lograr leer una pequeña franja de toda la
espiral de datos contenida en un disco compacto de audio6. Esta limitación se presentó al no
poder equipar al láser, y toda su óptica correspondiente, de un movimiento de traslación que le
6
Referirse al marco teórico, sección 2.3
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permitiera desplazarse por toda la superficie del disco y así leer todos los datos contenidos en el
mismo.
Esta implementación al sistema no se ejecutó al ser este un equipo sensor de índole
académica; se realizó a un nivel macro para poder ser utilizado también como material de apoyo
para la conceptualización de temas propios del área de óptica. Consecuentemente a esto, el
implementar tal sistema de traslación además de ser complicado, se sale de perspectiva del
presente proyecto. No obstante, no deja de ser una implementación interesante para futuros
proyectos en el área de la óptica.
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BIBLIOGRAFÍA
Artículos de revistas:
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4. Sony, “Basic Tecnology Overview”, Mini Disc Basic Theory, Japón, 1993
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14. “Products”, http://www.edmundoptics.com/
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APÉNDICES
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