Fibra óptica: De los endoscopios a los teléfonos
La fibra óptica es una de las aplicaciones de la reflexión interna total que se utiliza ampliamente. En el ámbito de las comunicaciones, se utiliza para transmitir señales de teléfono, Internet y televisión por cable. La fibra óptica emplea la transmisión de luz a través de fibras de plástico o vidrio. Dado que las fibras son finas, la luz que entra en una de ellas es probable que golpee la superficie interior con un ángulo mayor que el ángulo crítico y, por tanto, se refleje totalmente ((Figura)). El índice de refracción en el exterior de la fibra debe ser menor que en el interior. De hecho, la mayoría de las fibras tienen un índice de refracción variable para permitir que se guíe más luz a lo largo de la fibra a través de la refracción interna total. Los rayos se reflejan alrededor de las esquinas, como se muestra, convirtiendo a las fibras en pequeñas tuberías de luz.
Se pueden utilizar haces de fibras para transmitir una imagen sin necesidad de una lente, como se ilustra en (Figura). La salida de un dispositivo llamado endoscopio se muestra en la (Figura)(b). Los endoscopios se utilizan para explorar el interior del cuerpo a través de sus orificios naturales o de pequeñas incisiones. La luz se transmite por un haz de fibras para iluminar las partes internas, y la luz reflejada se transmite de nuevo a través de otro haz para ser observada.
La fibra óptica ha revolucionado las técnicas quirúrgicas y las observaciones dentro del cuerpo, con una gran cantidad de usos médicos de diagnóstico y terapéuticos. Se puede realizar una intervención quirúrgica, como la cirugía artroscópica en una articulación de la rodilla o del hombro, empleando herramientas de corte acopladas y observadas con el endoscopio. También se pueden obtener muestras, como por ejemplo, al enlazar un pólipo intestinal para su examen externo. La flexibilidad del haz de fibras ópticas permite a los médicos navegar por regiones del cuerpo pequeñas y de difícil acceso, como los intestinos, el corazón, los vasos sanguíneos y las articulaciones. La transmisión de un intenso rayo láser para quemar las placas que obstruyen las arterias principales, así como la entrega de luz para activar los medicamentos de quimioterapia, se están convirtiendo en algo habitual. De hecho, las fibras ópticas han hecho posible la microcirugía y la cirugía a distancia, donde las incisiones son pequeñas y los dedos del cirujano no necesitan tocar el tejido enfermo.
Las fibras ópticas en haces están rodeadas por un material de revestimiento que tiene un índice de refracción más bajo que el núcleo ((Figura)). El revestimiento impide que la luz se transmita entre las fibras de un haz. Sin el revestimiento, la luz podría pasar entre las fibras en contacto, ya que sus índices de refracción son idénticos. Como no entra luz en el revestimiento (hay reflexión interna total hacia el núcleo), no puede transmitirse entre las fibras revestidas que están en contacto. En cambio, la luz se propaga a lo largo de la fibra, minimizando la pérdida de señal y asegurando que se forme una imagen de calidad en el otro extremo. El revestimiento y una capa protectora adicional hacen que las fibras ópticas sean duraderas, además de flexibles.
En otro tipo de aplicaciones, las fibras ópticas se utilizan habitualmente para transportar señales para conversaciones telefónicas y comunicaciones por Internet. Se han colocado extensos cables de fibra óptica en el fondo del océano y bajo tierra para permitir las comunicaciones ópticas. Los sistemas de comunicación por fibra óptica ofrecen varias ventajas respecto a los sistemas eléctricos (de cobre), sobre todo para las largas distancias. Las fibras pueden ser tan transparentes que la luz puede viajar muchos kilómetros antes de volverse lo suficientemente tenue como para requerir amplificación, algo muy superior a los conductores de cobre. Esta propiedad de las fibras ópticas se denomina baja pérdida. Los láseres emiten luz con características que permiten muchas más conversaciones en una fibra que las que son posibles con las señales eléctricas en un solo conductor. Esta propiedad de las fibras ópticas se denomina gran ancho de banda. Las señales ópticas en una fibra no producen efectos indeseables en otras fibras adyacentes. Esta propiedad de las fibras ópticas se denomina diafonía reducida. Exploraremos las características únicas de la radiación láser en un capítulo posterior.