Laboratorio de Óptica y Acústica (LOA)
La óptica y la acústica son ramas de la física relacionadas con el estudio de la generación, propagación y aplicación de ondas. Por ejemplo, la óptica estudia las ondas electromagnéticas (luz) dentro del rango ultravioleta-Visible-infrarrojo, así como su comportamiento y su interacción con la materia. Mientras que la acústica se encarga de estudiar las ondas mecánicas, así como su generación, su propagación y sus efectos en gases, líquidos y sólidos en rangos conocidos como infrasonido, sonido y ultrasonido.
Investigador responsable: Dr. Victor Ulises Lev Contreras Loera Estas ramas de la física juegan un papel trascendente en el desarrollo de la tecnología y en el bienestar de la sociedad. El LOA se enfoca en el estudio y aplicación de técnicas ópticas y acústicas novedosas con el objetivo de desarrollar instrumentación científica que sea de utilidad en la solución de problemas científicos, tecnológicos ambientales e industriales. El desarrollo de instrumentación científica del LOA se lleva principalmente a cabo en las siguientes líneas de investigación:Desarrollo de levitadores acústicos y sus aplicaciones
La levitación acústica se refiere a la habilidad de atrapar y sostener objetos micrométricos y milimétricos en fluidos como el aire por medio de ondas ultrasónicas. Generalmente los levitadores acústicos utilizan transductores Langevin (TL) como fuente de emisión ultrasónica. Sin embargo, en la última década se han desarrollado novedosos sistemas de levitación que sustituyen los TL por arreglos de múltiples transductores compactos ordenados de manera que la superficie emisora total represente una superficie discretizada similar a la de un TL. Esta discretización presenta ciertas ventajas respecto a los levitadores basados en TL entre las que destaca el diseño de superficies emisoras más amplias y de geometrías más variadas, lo que repercute directamente en la capacidad de una mayor diversidad de objetos, tamaños, formas, etc. En el LOA estudiamos y desarrollamos levitadores acústicos de arreglos de transductores mediante con el objetivo de optimizar su desempeño y ampliar su rango de aplicación.
La imagen muestra un par de resistencias eléctricas soldadas que se encuentran levitando en un sistema desarrollado en el LOA. Su peso equivale a 1.5 miliNewton, un peso muy superior a los comúnmente reportados en la literatura científica.
Espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) y sus aplicaciones
La espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS: Laser-induced breakdown spectroscopy) en una técnica capaz de analizar la composición química de una muestra (solida, liquida o gaseosa) a través de la formación de un plasma producido por pulsos laser. La técnica permite monitorear cualitativamente (y en algunos casos, cuantitativamente) la composición química en tiempo real de prácticamente cualquier material. Actualmente, las investigaciones en el LOA están centradas en el análisis químico-elemental de líquidos acústicamente levitados, en donde la técnica de levitación se utiliza como estrategia para preconcentrar de forma rápida y controlada los analitos del líquido.
Self-mixing interferometry
La técnica de interferometría de auto-mezclado (SMI por su acrónimo en inglés) representa una forma simple y robusta de medir distancias, desplazamientos, flujos y velocidades con una resolución submicrométrica y con una excelente sensibilidad. En años recientes se ha desarrollado una nueva forma de monitorear la señal SMI a través de la modulación en frecuencia (ESMI) inducida en un láser semiconductor, lo que ha permitido incrementar la sensibilidad de la técnica, abriendo un abanico de posibles aplicaciones en la ingeniería y la industria. En el LOA se realizan investigaciones enfocadas al estudio teórico y experimental relacionado con la técnica ESMI así como el desarrollo de instrumentación científica (vibrómetro láser y sistema lidar) y sus aplicaciones.
Los dispositivos de medicion basados en la tecnica SMI son capaces de monitorear la velocidad del viento a traves de la luz retro-reflejada de las particulas de polvo, polen, etc., suspendidas en el aire, asi como vibraciones con resoluciones sub-micrometricas de estructuras y superficies de cualquier tamaño.
Deflectometría schlieren
La deflectometría schlieren es una técnica óptica utilizada para visualizar flujos no visibles para la vista humana en medios transparentes al rango óptico como el aire o el agua. La técnica es capaz de visualizar el contraste en la región estudiada producido por cambios en el índice de refracción. Los cambios del índice de refracción se producen por cambios de densidad en el medio debido a una alteración en la temperatura o la presión del medio. De esta manera, la técnica de schlieren provee la capacidad de visualizar diferentes fenómenos en investigaciones relacionadas con el choque de ondas, imperfecciones ópticas, flujos de calor, flujos de gas, ondas acústicas, etc. En el LOA se utiliza esta técnica para la visualización de la presión acústica producida en levitadores ultrasónicos en desarrollo.
Visualización de una onda acústica estacionaria dentro de un levitador ultrasónico de simetría uniaxial (TinyLev)
| Noticias: |
El LOA en la gaceta UNAM: Reconocimiento Distinción Universidad Nacional para Jóvenes académicos 2023.
"Trabajo relacionado con la tesis de maestría de Jairo Peralta, estudiante asociado al Laboratorio de Óptica Aplicada, recibe premio de 3er lugar en el Colloquium Spectroscopicum Internationale XLI (CSIXLI)" -Liga aqui
Fotografía (de Jairo Peralta) tomada en el laboratorio recibe mención honorífica en el Concurso de Fotografía de la Sociedad Mexicana de Física 2018 - Liga aqui
Analyzing Water with Lasers and Levitation (American Physical Society). Liga a la noticia
Researchers Levitate Water Droplets to Improve Contaminant DetectionTechnique could lead to on-site, real-time detection of heavy metals in water.Liga a la noticia
Mining Data from a Floating Droplet A research team in Mexico used sound waves to levitate droplets of water, and enable the liquid samples to be chemically analyzed for heavy-metal contaminants using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Liga a la noticia
Gaceta UNAM 12 Agosto 2018: COMBINAN EN LA UNAM TÉCNICAS PARA LEVITAR GOTAS DE AGUA Y DETECTAR CONTAMINANTES
Tesis dirigidas:
Jairo Peralta, "Espectroscopia de rompimiento inducido por láser en gotas acústicamente levitadas", 2018 (archivo)
Aarón Díaz, "Generador de gotas con distribución de tamaños mono–dispersa para sus aplicaciones en espectroscopia atómica de líquidos", 2018 (archivo)
Jaime González Ramos, “Instrumentación optoelectrónica”, tesis de licenciatura, Universidad Politécnica del Estado de Morelos (UPEMOR), 7 de agosto de 2018.
Alan Reyes, "Prototipo de vibrómetro láser basado en interferometría de auto-mezclado: diseño y construcción", 2018 (archivo)
Oskar Paulsson "Configurable implementation of a matrix method to simulate pressure in acoustic levitation devices", 2020 (archivo)
Said Vara Tiempos, “Levitador acústico uniaxial de fases variables para la generación de vórtices acústicos”, tesis de licenciatura, UPEMOR, 30 de abril de 2021. (archivo)
Jairo Peralta, tesis de maestría "LIBS en líquidos acústicamente levitados: Optimización de parámetros experimentales", 2021 (archivo)
Jesús Quezada Urbina, “Implementación y caracterización de un levitador de fase variable”, tesis de licenciatura, Universidad Tecnológica Emiliano Zapata del Estado de Morelos, 24 de junio de 2021. (archivo)
Alan Reyes Sánchez, “Medición de flujos por interferometría de automezclado”, tesis de maestría, Centro de Investigación en Ingenierías y Ciencias Aplicadas, UAEM, 29 de noviembre de 2021. (archivo)
Juan Carlos Zavaleta, “Optimización de componentes mecánicos de un levitador acústico para optimización de potencial acústico mediante métodos numéricos”, tesis de licenciatura, Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería (FCQeI), UAEM, 6 de diciembre de 2021. (archivo)
Yesenia Bahena Vicencio, “Sistema de rastreo de posición y tamaño de objetos acústicamentelevitados”, tesis de licenciatura, Universidad Politécnica del Estado de Morelos, 1 de abril de 2022. (archivo)
Moisés Gamaliel Estrada Vergara, “Construcción y caracterización de un levitador acústico para desplazar objetos sin contacto”, tesis de licenciatura, Universidad Politécnica del Estado de Morelos, 5 de abril de 2022. (archivo)
Difusión y divulgación de las actividades del LOA:
El labortorio de Optica en TV-UNAM
Levitación acústica, una técnica para mejorar la detección de impurezas en agua a través de técnicas espectroscópicas.
Ilustración de la metodología LIBS-Lev: un pulso láser se dirige a una gota acústicamente levitada con el propósito de ablacionarla y producir un plasma a partir de ella. La luz del plasma contiene la huella digital atómica del plasma (y de la gota) y si se detecta de manera adecuada es posible analizar su composición química.
Deflectometría schlieren: descripción ilustrativa del funcionamiento de la técnica y su uso en la investigación en UNAM Campus Morelos (ICF-IER).
- Técnicas espectroscopicas.
- Levitación acustica.
- Interferometria de automezclado.
- Velocimetria Doppler.
Artículos en revistas con arbitraje indizadas (Web of Science, JCR, SCOPUS)
1.- Enhanced standing-wave acoustic levitation using high-order transverse modes in phased array ultrasonic cavities Liga a la publicación2.- Acoustically levitated whispering-gallery mode microlasers Liga a la publicación
3.- ZIF-8 derived carbon/g-C3N4 an all-carbon heterojunction for effective photo-decontamination of Cr (VI) from water Liga a la publicación
4.- Particle size-effect in airborne standing-wave acoustic levitation: Trapping particles at pressure antinodes Liga a la publicación
5.- Unveiling particle size-effect in airborne standing-wave acoustic levitation: trapping objects at pressure antinodes Liga a la publicación
6.- Adjusting single-axis acoustic levitators in real time using rainbow schlieren deflectometry Liga a la publicación
7.- Langmuir probe, optical, and mass characterization of a DC CO2-H2 plasma Liga a la publicación
8.- Analysis of alloy and solar cells with double-pulse calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy Liga a la publicación
9.- Sequential Collinear Photofragmentation and Atomic Absorption Spectroscopy for Online Laser Monitoring of Triatomic Metal Species Liga a la publicación
10.- Título: "Noise in a FM-converted Self-Mixing Interferometer" Autores: Michele Norgia, Victor Contreras, Silvano Donati Revista: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Early Access (December 5th, 2019) Liga a la publicación
11.- V. Contreras, R. Valencia, J. Peralta, H. Sobral, M. A. Meneses-Nava, H. Martinez. "Chemical elementary analysis of single acoustic-levitated water droplets by laser-induced breakdown spectroscopy" Optics Letters, Volume 43, Issue 10, 2260-2263 (2018). DOI: 10.1364 / OL.43.002260.? Liga a la publicación
12.- Victor Contreras, Horacio Martinez, Michele Norgia, "Phase shift measurements between intensity and frequency modulations of a self-mixing interferometer", Photonics Technology Letters 30 (2018), 1909-1912. Liga a la publicación
13.- Victor Contreras, Ricardo Valencia, Jairo Peralta, H. Sobral, M. A. Meneses-Nava, and Horacio Martinez. Chemical elemental analysis of single acoustic-levitated water droplets by laser-induced breakdown spectroscopy. Optics Letters. Vol 43, pp. 2260-2263 (2018). Liga a la publicación
14.- Contreras V., Toivonen J., and Martinez H., Enhanced self-mixing interferometry based on volume bragg gratings and laser diodes emitting at 405-nm wavelengths. Optics letters 42 (11), 2221- 2223 (2017). ISSN:0146-9592 (print) ISSN: 1539-4794 (online). Liga a la publicación
15.- Victor Contreras, Jan Lonnqvist, Juha Toivonen, “Edge Filter Enhanced Self-Mixing Interferometer”Optics Letters, 40 (2015), 2814-2817. Liga a la publicación
16.- Victor Contreras, Jan Lonnqvist, Juha Toivonen, “Detection of single microparticles in airflows by edge-filter enhanced self-mixing interferometry”Optics Express 24(8) (2016), 8886-8894. Liga a la publicación
17.- R. Sangines, V. Contreras, H. Sobral, A. Robledo-Martinez, “Optimal emission enhancement in Orthogonal Double Pulse Laser Induced Breakdown Spectroscopy”, Spectrochimica Acta part B 110 (2015), 139-145. Liga a la publicación
18.- V. Contreras, M.A. Meneses-Nava, O. Barbosa-García, J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortiz, “Double Pulse and Calibration Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy at Low Ablative Energies”, Optics Letters 37 (2012) 4591-93. Liga a la publicación
19.- Victor Ulises Contreras, Marco A. Meneses-Nava, Nancy Ornelas-Soto, Oracio Barbosa-García, Pedro L. Lopez-de-Alba, Gabriel Ramos-Ortiz, Jose L. Maldonado, Francisco J. Acevedo-Aguilar, Leticia Frausto, “Fast and Environmentally Friendly Quantitative Analysis of Active Agents in Anti-Diabetic Tablets by an Alterantive LIBS and a Validated RP-HPLC Method”,Applied Spectroscopy, 66(11), 2012, 1294-1301. Liga a la publicación
20.- Ulises Contreras, O. Barbosa-García, J.L. Pichardo-Molina, G. Ramos-Ortiz, J.L. Maldonado, M.A. Meneses-Nava, N.E. Ornelas-Soto, P.L. López-de-Alba, “Screening method for identification of adulterate and fake tequilas by using UV-VIS spectroscopy and chemometrics”, Food Research International 43 (2010) 2356-23-62. Liga a la publicación
21.- Ivan Moreno, Ulises Contreras,“Color distribution from multicolor LED arrays”Optics Express Vol. 15. No. 6 (2006) Liga a la publicación
Artículos in extenso de memorias de congresos y proceedings (No resúmenes)
1.- Desarrollo de levitadores acsticos de arreglos de transductores en fase Liga a la publicaciónLibros
1.- Escuela de Fsica Experimental 2019
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