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viernes 24 de noviembre de 2017 
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 Medición de tensiones de bloques ópticos  

 

Por: Federico García
Instituto Copérnico, Cielo Sur
fgarcia@cielosur.com

Introducción

En este trabajo estudiamos la construcción de un polarímetro para la medición de las tensiones de los bloques ópticos utilizados para la construcción de espejos astronómicos y su funcionamiento, el cual justificamos a través de una explicación introductoria al modelo ondulatorio de la radiación electromagnética (luz).

La verificación de tensiones internas en un vidrio que se utilizará para construcción de un espejo, es uno de los problemas que acucian a los constructores, porque no es viable destensionar una superficie por medio de calor controlado (recocido), cuando en realidad, no se sabe si realmente ése vidrio las poseía. Inclusive, es posible que a través de este método, se corra el riesgo de agregar tensiones y n o de quitarlas. Sólo es eficaz si, primeramente, se realiza un control de las tensiones existentes a través del polarímetro.

Los vidrios que se suelen utilizar por los aficionados para el tallado de espejos ópticos, suele ser vidrio común así como Pirex, ambos no diseñados para este propósito, por lo cual son grandes candidatos poseer fuertes tensiones internas que complicarán el trabajo del constructor a la hora de su tallado.

Esperamos a través de este trabajo contribuir con el aficionado para que su trabajo sea lo más productivo y sencillo posible.

La naturaleza de la luz – Luz polarizada

La luz es la zona visible del espectro de la radiación electromagnética. Tiene una característica dual, pues presenta tanto un comportamiento de “partícula” (que es el caso del efecto fotoeléctrico) como “ondulatorio” (fenómenos de difracción, refracción o interferencia).

En este caso, nos interesa estudiarla como onda.

La radiación electromagnética es una onda que se propaga a través de la variación temporal de los campos eléctrico y magnético del medio en cuestión. Su velocidad es de 300.000Km/s y se trata de una onda plana y transversal, similar a la observada en una cuerda.

Una lámpara emite luz visible en diferentes longitudes de onda y la propagación se realiza en diferentes planos de oscilación, sin embargo, a través de ciertos dispositivos ópticos, es posible, obtener lo que llamamos “luz polarizada”. Estos dispositivos se llaman polarizadores y lo que hacen es dejar que los atraviese, únicamente, las oscilaciones en un determinado plano.

Una clase de polarizadores son aquellos materiales que poseen “dicroismo”, es decir, que absorben solamente una componente de la oscilación. Los filtros POLAROID son un ejemplo. Constan de una lámina plástica transparente bañada con unos cristales microscópicos alargados que se colocan paralelamente, permitiendo que la placa absorba la radiación únicamente en ese plano determinado.

Ahora bien, si tomamos dos filtros POLAROID y hacemos coincidir sus planos principales, toda la radiación que atraviese al primero (polarizador), atravesará al segundo (analizador) también, pero si giramos 90° al segundo, no podrá pasar radiación, pues, la radiación que atraviesa al primer polarizador no tendrá componente de oscilación en el plano de oscilación del segundo.

Decimos que un cuerpo es “ópticamente activo” cuando tiene la capacidad de rotar el plano de oscilación de la luz.

Así, si situamos entre ambos polarizadores un cuerpo ópticamente activo, podremos observar su actividad óptica, debido a que al girar el ángulo de oscilación de la radiación, ésta podrá atravesar en parte al segundo polarizador.

Tensiones Internas

Son regiones internas del bloque de vidrio que presentan a las moléculas componentes, desorientadas y a diferentes densidades. Este desorden tiene origen en cambios bruscos de temperatura y por lo tanto, esas regiones se encuentran sometidas a esfuerzos que varían fuertemente con la temperatura.

Cuando el vidrio posee tensiones internas, cambios de temperatura, así como una mala sustentación pueden ser causantes de deformación en el bloque y hasta su destrucción. Así, todo el trabajo de tallado y pulido puede perderse por una causa ajena al propio constructor.

Por esto y por otras razones, es de fundamental importancia detectarlas antes de comenzar el proceso de desbastado, es decir, al adquirir el bloque óptico.

La tensiones internas producen el fenómeno de la birrefracción que vuelve al vidrio ópticamente activo, por lo que podrán entonces ser detectadas si interponemos al vidrio entre dos polarizadores y una fuente de luz cualquiera. Así funcionará nuestro polarímetro.

Construcción del Polarímetro

Como primera medida debemos obtener los filtros POLAROID. Estos filtros se consiguen en ópticas o casas de fotografía, aunque para este caso, lo más conveniente es contactar a algún fotógrafo amigo. En mi caso, los filtros me fueron prestados por el Laboratorio de Óptica de la Universidad de La Plata. Quizás, un link de interés para el asunto es: www.3dlens.com.

Una vez obtenidos los filtros POLAROID, debemos construir una base en la que colocar los filtros, la lámpara y el vidrio a estudiar.

En mi caso, preferí colocar al vidrio en forma horizontal, para lo cual, construí una base (que tiene que ser transparente pero no presentar actividad óptica) con una red de tanza o hilo firme que atraviesa la caja de un lado al otro. En la parte inferior coloqué la lámpara y dejé un espacio para una fácil maniobrabilidad del polarizador y analizador.

Otras personas sugirieron durante el congreso que el dispositivo podría disponerse en forma horizontal en vez de vertical, en cuyo caso no habría necesidad de red, aunque sí de un buen soporte para el vidrio.

Mi diseño tiene las cotas en centímetros y está pensado para un espejo de no más de 20cm de diámetro.


Detección de las zonas donde se encuentran las tensiones internas

Una vez realizada la base, procedemos colocando ambos filtros con sus planos de oscilación a 90°, uno entre la lámpara y el vidrio, y el otro entre el vidrio y nosotros. Si el vidrió no presentara actividad óptica, y, por lo tanto, tensiones internas, no debería observarse prácticamente el paso de luz desde la fuente emisora hasta el observador. Por el contrario, las zonas que resulten claras (debido al paso de luz desde la fuente emisora), serán regiones sometidas a tensiones internas.

Como ejemplo, detallo mi experiencia con un tapón del medidor de aceite de una locomotora, que es un trozo de vidrio que ha sido sometido a grandes cambios de temperatura arrojó los siguientes resultados:

En las zonas centrales, se observaron zonas oscuras, es decir, ausentes de tensiones. Por el contrario, en las zonas exteriores, se observaron 4 zonas bien claras que marcan, justamente, las regiones del vidrio que se encontraban sometidas a fuertes tensiones debido al soporte del instrumento.

Agradecimientos

Al Laboratorio de Óptica del Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional de La Plata por los materiales y conocimientos brindados.
A Silvia Smith, por su orientación, apoyo constante.
A mi viejo, por enseñarme a pensar.

Ante cualquier duda o consulta, pueden dirigirse a mi dirección de mail: fgarcia@cielosur.com

 
 
 
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