La Revolución de la Luz Estructurada

La luz es, en sí, una onda electromagnética. Estas ondas se componen por amplitud y fase. Pensemos que, para una ola en el mar, la amplitud es la altura de la ola y la fase nos da una idea de si la misma está subiendo o bajando en el momento exacto en donde se mira. Sabiendo esto, un modulador espacial de luz (SLM), es un dispositivo que permite modificar la amplitud o la fase de un haz en tiempo real. En el Laboratorio de Óptica Avanzada, en donde se realiza investigación de alto nivel dentro de la UDLAP, se cuenta con un modulador de fase, con el cual generamos hologramas con alta resolución.

Para generarlos, pensemos en la pantalla del modulador como una hoja cuadriculada, en donde cada cuadro representa un píxel. Si a cada píxel se le aplica un determinado voltaje, el dispositivo retrasará más o menos una pequeña parte de la onda. Si hacemos un uso inteligente de dichos voltajes, podemos generar patrones complejos como los mostrados en las imágenes. Es ahí en donde entran los hologramas generados por computadora (CGH). Si logramos codificar uno de estos hologramas en 256 distintos tonos de gris, el modulador actuará como un traductor (de gris a voltaje) y retrasará la onda de la manera en que nosotros lo deseemos, logrando, de esta forma, generar los patrones. La alta resolución de nuestro aparato es lo que nos permite crear patrones complejos. Cuantos más píxeles tengamos, más bloques de construcción tendremos disponibles para esculpir el frente de onda de la luz con mayor fidelidad.

Una de las capacidades más poderosas de nuestro SLM es la generación de hologramas dinámicos, pues podemos programar una secuencia de hologramas (¡como una película!) y controlar de forma muy precisa el tiempo de transición entre cada fotograma.

En los ámbitos de investigación, es deseado generar los llamados haces estructurados. Estos surgen a partir de resolver ecuaciones esenciales con funciones muy sofisticadas. Podemos pensar en un haz sin modulación como personas caminando en línea recta. Sin embargo, un haz estructurado es como si esta misma multitud comenzara a formar espirales, círculos o patrones mientras avanza. La razón por la que buscamos producir estas estructuras tan complejas es para explotar las poderosas propiedades que estas llevan consigo. Por ejemplo, en el Laboratorio de Óptica Avanzada, contamos con un aparato de pinzas ópticas, el cual nos permite manipular objetos pequeños con las delicadas manos de la luz. Ahora bien, si utilizamos uno de estos haces estructurados, somos capaces de hacer rotar o empujar de formas peculiares estos micro objetos confinados, aprovechando sus propiedades de transferencia de momento angular orbital, como es el caso de los bien conocidos haces Laguerre-Gauss.

Sin embargo, nuestro arsenal de patrones es mucho más versátil y diverso. No nos limitamos a generar un solo tipo de haz, sino que creamos toda una familia de distintos frentes de onda estructurados. A partir de las ya mencionadas funciones especiales, somos capaces de producir otros perfiles fundamentales, como los modos Hermite-Gauss (simetrías rectangulares), los haces Bessel (que apenas se abren al propagarse), e incluso los haces Airy (que tienen la capacidad de doblar su trayectoria). Cada uno tiene sus propiedades únicas y conforman herramientas específicas para diversas aplicaciones. Combinando esto con la capacidad de producir hologramas dinámicos, las posibilidades y aplicaciones son infinitas.

La física de haces estructurados no es únicamente un tema de laboratorio: es un campo de investigación actual y se encuentra en rápido crecimiento. Además, el trabajo que estamos realizando es un perfecto ejemplo de investigación interdisciplinaria y tiene aplicaciones directas en áreas como la biofísica o las telecomunicaciones.

Sobre los autores:

Gilberto Tovar López

Estudiante de la Licenciatura en Física en la Universidad de las Américas Puebla, reconocido con la beca de excelencia académica. Actualmente se encuentra trabajando en el proyecto de investigación «Diseño y Validación Experimental de Hologramas de Fase para la Generación de Haces Estructurados Utilizando un Modulador Espacial de Luz». De forma complementaria, participa en una línea de investigación enfocada en el desarrollo de Pinzas Ópticas en la UDLAP.

Contacto: gilberto.tovarlz@udlap.mx

Cristina Carranco Villaseñor

Estudiante del noveno semestre de la Licenciatura en Física en la Universidad de las Américas Puebla. Como miembro del Programa de Honores de la universidad, participa en el proyecto “Construcción, calibración y caracterización de un sistema de pinzas ópticas para el confinamiento de micropartículas de óxido de silicio”, además de participar en investigación relacionada a un Modulador Espacial de Luz en el Laboratorio de Óptica Avanzada.

Contacto: cristina.carrancovr@udlap.mx

Dr. Wanderson Maia Pimenta

Doctor y Maestro en Física por la Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil. Licenciado en Física por la Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil. Se desempeñó como investigador posdoctoral en óptica cuántica experimental en la Universidade Federal de Minas Gerais, durante un año y medio y posteriormente en el laboratorio de átomos fríos de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) en el área de física atómica experimental durante dos años y medio. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel 1. Desde 2019, es profesor de tiempo completo del Departamento Académico de Actuaría, Física y Matemáticas en la Escuela de Ciencias de la Universidad de las Américas Puebla.

Contacto: wanderson.pimenta@udlap.mx