Fibra Óptica y Endoscopia

El principio de reflexión total interna

La reflexión interna total es el acontecimiento óptico en el que las ondas luminosas alcanzan el límite entre dos medios. La luz no se refracta hacia el medio opuesto, sino que se refleja completamente hacia el medio inicial. Este fenómeno se produce cuando el medio opuesto tiene un índice de refracción mayor que el medio inicial.

Podemos calcular el índice de refracción de un medio con esta ecuación

\[n = \frac{c}{v}\]

Aquí, c es la velocidad de la luz en el vacío (3,00 ⋅^108m/s), y v es la velocidad de fase de la luz en el medio.

Para que se produzca este fenómeno, el ángulo de incidencia en la frontera entre dos medios debe ser mayor que el ángulo crítico. Supongamosque un haz de luz viaja desde un medio que tiene un índice de refracción de _n1 a un segundo medio con un índice de refracción de _n2, y _n2 ≤ _n1. Entonces podemos hallar el ángulo crítico (_θc) con esta ecuación

\[\theta_c = \arcsin \Big(\frac{n_2}{n_1} \Big)\].

Cuando el ángulo de incidencia es inferior al ángulo crítico

Si el ángulo de incidencia (_θ1) es inferior al ángulo crítico, la onda se refractará hacia el medio opuesto con un ángulo de _θ2 (flechas amarillas en la ilustración siguiente). Ahora podemos hallar la relación entre estos ángulos con esta ecuación:

\n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2\]

Cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo crítico

Si el ángulo de incidencia (_θ1) es igual al ángulo crítico (_θc), la onda seguirá su camino alineada con el límite (flechas moradas en la ilustración).

Cuando el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico

Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico, se produce la reflexión interna total, y la onda se reflejará de nuevo en el medio inicial con el mismo ángulo que tenía inicialmente (flechas rojas en la ilustración).

Procedimiento de endoscopia por fibra óptica

Cuando se utilizan endoscopios con fibra óptica, una fuente de luz en la punta del endoscopio ilumina los conductos. La luz se refleja desde los conductos de vuelta a la punta. La luz es guiada por una estructura de índice escalonado dentro de la fibra óptica que induce la reflexión interna total y dirige la luz acoplada de un extremo a otro sin pérdidas. Para que esto ocurra, el índice de refracción delmaterial del núcleo de la fibra(_n1) debe ser mayor que el delmaterialdel revestimiento de la fibra (_n2).

La luz con un ángulo de incidencia mayor que el ángulo de aceptación máximo _θa se refractará parcialmente fuera de la fibra. La luz con un ángulo de incidenciainferior al ángulo máximo de aceptación _θa se refractará parcialmente dentro de la fibra. Tras varios encuentros con la interfaz núcleo-revestimiento de la fibra, la luz residual parcialmente reflejada se pierde finalmente.

El requisito del 100% de reflexión interna en el contacto núcleo-revestimiento determina el ángulo de aceptación máximo _θa. Para determinar elángulo de aceptación _θa, recuerda que para hallar el ángulo crítico _θc, utilizamos la ecuación:

\[\sin(\theta_c) = \frac{n_2}{n_1}\]

Así, suponiendo que la fibra está en el aire con un índice de refracción de 1, la siguiente ecuación nos ayuda a encontrar el ángulo de aceptación _θa. Observa que _θc' = 90° - _θc.

\[\sin (\theta_a) = \frac{n_1}{1} \cdot \sin(\theta'_c)\]

En conclusión, la onda luminosa, que se refleja en los conductos del cuerpo humano y entra en las fibras ópticas del endoscopio, viaja a través de las fibras ópticas con reflexión interna total. Como resultado, la luz sale de las fibras ópticas del mismo modo que entró en ellas (con el mismo ángulo). A continuación, la imagen se transfiere para que la examine un observador.

¿Cuáles son las aplicaciones de la endoscopia?

La endoscopia se utiliza actualmente en diversas aplicaciones de la física médica. Aunque la endoscopia se utiliza principalmente en las intervenciones quirúrgicas para permitir a los cirujanos visualizar el interior del cuerpo humano mientras operan, otros usos incluyen la observación de los conductos del cuerpo humano para determinar cualquier anomalía. Aquí tienes otros usos de la endoscopia:

• Panendoscopia para cirugía plástica (triple endoscopia).
• Cirugías ortopédicas, como las de rodilla y mano.
• Examen del feto y del amnios durante el embarazo.
• Examinar el aparato reproductor femenino.
• Examinar el interior del oído.