Física recreativa

 Esta es una participación de Carlos Tapia Ayuga, estudiante de astrofísica y óptica en la Universidad Complutense de Madrid, y especializado en instrumentación astronómica. Ahora mismo se encuentra en una fase de aprendizaje en el LICA (Laboratorio de Instrumentación Científica Avanzada) junto al equipo de MEGARA (instrumento de segunda generación del GTC). Podéis seguirlo en esta web.

Un día jugueteando con un puntero láser de color verde de muy baja potencia, estaba viendo los fenómenos de difracción y dispersión en diferentes materiales y líquidos. En un momento dado, vi que había un vaso con Coca Cola^© encima de la mesa del salón y decidí apuntar ahí con el láser. Y me sorprendió el efecto que se produjo.

Cuando uno apunta un láser, por ejemplo verde, a un líquido espera que o bien se mantenga el color del láser, o tal y como nos indican las leyes de la óptica clásica, su luz cambie, pero hacia longitudes de onda más cortas, azuladas.

Si bien lo anterior es completamente correcto, en ciertos líquidos altamente absorbentes se producen fenómenos de fluorescencia debido a su no linealidad. Pero antes veamos cómo funciona realmente un diodo láser muy parecido al utilizado en el experimento.

Como se puede ver en el siguiente esquema, el láser es realmente infrarrojo con una longitud de onda de 808 nm. Este haz de luz, al atravesar un medio no lineal se rebaja su longitud de onda hasta los 532 nm. (verde). Pero, como el medio no lineal no es perfecto siempre queda una pequeña componente infrarroja, para eliminarla en la medida de lo posible, en un punto intermedio de la trayectoria de colimación del haz verde se coloca un filtro de corte infrarrojo. Este filtro también deja pasar débilmente el infrarrojo por no ser perfecto.

Diodo láser DPSS (Edmund Optics)

Una vez sabemos que el haz de un láser verde está compuesto de forma simultánea de una componente de 532 nm. (mayoritaria) y una de 808 nm, muy débil procedo a la explicación del comportamiento de la luz de este láser en la Coca Cola^©.

Diodo láser con componentes de 532 nm y de 808 nm vistas de forma simultánea

Cuando se apunta el módulo láser hacia un vaso de Coca Cola^© vemos lo siguiente.

Diodo láser iluminando un vaso de Coca Cola. Exposición de 15 minutos a ISO 500

Diodo láser iluminando un vaso lleno de aceite de oliva y se refleja en la pared del propio vaso.

Lo que se ve es un fenómeno denominado fluorescencia. Este fenómeno es el mismo que se da en la iluminación de un fluorescente típico y consiste en lo siguiente: el láser excita una molécula de Coca Cola^© y hace que pase del nivel fundamental a uno excitado con mayor energía, pero, debido a la composición de esta, no regresa al nivel original (si regresase al original veríamos luz verde) si no a uno de mayor energía. Al pasar a un estado de mayor energía aumenta la frecuencia de la luz, de ahí que se aprecie un color naranja al comienzo del haz transmitido.

Pero, si nos fijamos bien en la foto (mejor hacer click sobre ella para verla en alta resolución) se ve cómo según va avanzando el láser se va convirtiendo en un color rojizo hasta que deja de apreciarse. Según las últimas pruebas que hemos hecho, este cambio de color se debe a la combinación de dos factores: permanencia de la luz infrarroja y reabsorción y reemisión de la componente verde.

Veamos a qué me refiero con la reemisión. Sería básicamente una sucesión de lo que se produce en el esquema anterior, algo como lo que se ve en la siguiente diagrama.

El haz láser según avanza va produciendo una estimulación de las moléculas de Coca Cola^©. Como las primeras, que emiten en color naranja alcanzan bastante energía (pero no la suficiente para decaer hasta el estado fundamental) son capaces de estimular las moléculas vecinas, estas suben a un nivel excitado y decaen a otro de menor energía, pero por encima del color naranja. Si este proceso se produce de forma continua, como una cascada de estimulación, al final acabamos teniendo un haz continuo que pasa del naranja al infrarrojo, pero sin superar los 808 nm. de la segunda componente del láser, por ser su nivel máximo de emisión. Esta cascada de estimulación se puede ver también en las ondas de calor al principio del haz naranja. En ese momento la reemisión tiene suficiente energía para calentar débilmente el medio circundante, lo que confirma que en esta frecuencia la luz aún conserva suficiente energía para producir las sucesivas excitaciones.

Pero aunque la explicación anterior define sin problemas el cambio de color hay otro problema, el haz debería permanecer constante, sin embargo se ve como se va atenuando hasta aparentemente desaparecer. Esta atenuación es debida a la absorción del medio.

Para asegurarnos de que se cumplía todo lo que se ha explicado anteriormente se mejoró el experimento utilizando dos filtros de corte, los denominados UG1 y BG18. 

Primeramente se colocó el filtro UG1 (que previamente se caracterizó con un monocromador) que corta en visible y es transparente en el infrarrojo. En visible (532 nm) tiene una transmitancia del 0,01% y en 808 nm del 27,70% . De esta forma se puede estar seguro que lo que pasa por la Coca Cola^© es principalmente la componente infrarroja, mientras que la verde es absorbida casi totalmente por el filtro o en pocos milímetros en el líquido tal y como se puede ver en la siguiente imagen. Con esto se probó que la Coca Cola^© es casi totalmente transparente al infrarrojo, en concreto en 808 nm, mientras que la componente verde continúa produciendo el efecto descrito anteriormente durante escasos milímetros.

Filtro UG1 montado, se ve solamente la componente infrarroja después de atravesar la Coca Cola^©

Después se colocó el BG18, también caracterizado bajo las mismas condiciones. En 532 nm tiene una transmitancia del 82,00% y en 808 nm del 0,22%. Se produce el mismo efecto de cascada de excitación pero algo debilitado. Lo que nos lleva a llegar a la conclusión de que aunque la componente infrarroja no le afecta la Coca Cola^©, apenas es absorbida, sí que contribuye a producirse el efecto de estimulación continua. 

Este experimento, aunque en un principio puede parecer algo totalmente trivial, su explicación ha resultado bastante más compleja de lo esperado. La conclusión en la explicación ha sido posible gracias a la ayuda del profesor de Óptica de la Universidad Complutense, Alfredo Luis Aína. Puede verse una explicación adicional de este experimento y del mismo pero con aceite, en la siguiente web:

Fluorescencia en un refresco de cola y en aceite

NOTA: Para las fotografías se utilizó una cámara réflex Nikon D90 que se comprobó que era sensible en 808 nm y una videocámara de alta sensibilidad Watec 120N que no tiene ningún tipo de filtro de corte, para, de esta forma asegurarnos que el haz infrarrojo tenía prácticamente la misma potencia tanto a la entrada como a la salida de la Coca Cola ©. En el siguiente enlace puede verse una fotografía con el montaje utilizado y todo el instrumental que se ha usado para descartar fenómenos externos.
Tren óptico

Colaborador Invitado