Nuevas
tecnologías y nuevos materiales: Laceres
Láser, dispositivo de
amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son
aparatos que amplifican la luz y producen haces de luz coherente; su frecuencia
va desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un haz de luz es coherente cuando sus
ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase. Esto hace que la
luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con una gran
pureza de color (frecuencia). Los máseres son dispositivos similares para
microondas.
Principios de funcionamiento
Los láseres obligan a los
átomos a almacenar luz y emitirla en forma coherente. Primero, los electrones
de los átomos del láser son bombeados hasta un estado excitado por una fuente
de energía. Después, se los `estimula' mediante fotones externos para que
emitan la energía almacenada en forma de fotones, mediante un proceso conocido
como emisión estimulada. Los fotones emitidos tienen una frecuencia que depende
de los átomos en cuestión y se desplazan en fase con los fotones que los
estimulan. Los fotones emitidos chocan a su vez con otros átomos excitados y
liberan nuevos fotones. La luz se amplifica a medida que los fotones se
desplazan hacia atrás y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenando
nuevas emisiones estimuladas. Al mismo tiempo, la luz láser, intensa,
direccional y monocromática, se `filtra' por uno de los espejos, que es sólo
parcialmente reflectante.
La emisión estimulada, el
proceso en que se basa el láser, fue descrita por primera vez por Albert
Einstein en 1917. En 1958, los físicos estadounidenses Arthur Schawlow y
Charles Hard Townes describieron a grandes rasgos los principios de
funcionamiento del láser en su solicitud de patente. Obtuvieron la patente,
pero posteriormente fue impugnada por el físico e ingeniero estadounidense
Gordon Gould. En 1960, el físico estadounidense Theodore Maiman observó el
primer proceso láser en un cristal de rubí. Un año más tarde, el físico
estadounidense nacido en Irán Alí Javan construyó un láser de helio-neón. En
1966, el físico estadounidense Peter Sorokin construyó un láser de líquido. En
1977, el Tribunal de Patentes de Estados Unidos confirmó una de las reivindicaciones
de Gould en relación con los principios de funcionamiento del láser.
Tipos de láser
Según el medio que emplean,
los láseres suelen denominarse de estado sólido, de gas, de semiconductores o
líquidos.
Láseres de estado
sólido Los medios más comunes en los
láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí o vidrios y cristales
con impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma que
sus superficies sean paralelas y se recubren con una capa reflectante no
metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de mayor
energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante
un tiempo breve. Se han logrado pulsos de sólo 1,2 × 10-14 segundos, útiles
para estudiar fenómenos físicos de duración muy corta. El bombeo se realiza
mediante luz de tubos de destello de xenón, lámparas de arco o lámparas de
vapor metálico. La gama de frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR)
hasta el ultravioleta (UV) al multiplicar la frecuencia original del láser con
cristales de dihidrogenofosfato de potasio, y se han obtenido longitudes de
onda aún más cortas, correspondientes a rayos X, enfocando el haz de un láser
sobre blancos de itrio.
Láseres de gas
El medio de un láser de gas
puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un vapor metálico, y suele
estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el exterior de los
extremos del tubo se sitúan dos espejos para formar la cavidad del láser. Los
láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de electrones,
corrientes eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio-neón resalta por
su elevada estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del
haz. Los láseres de dióxido de carbono son muy eficientes, y son los láseres de
onda continua (CW, siglas en inglés) más potentes.
Láseres de
semiconductores Los láseres de
semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión
entre capas de semiconductores con diferentes propiedades de conducción
eléctrica. La cavidad del láser se mantiene confinada en la zona de la unión
mediante dos límites reflectantes. El arseniuro de galio es el semiconductor
más usado. Los láseres de semiconductores se bombean mediante la aplicación
directa de corriente eléctrica a la unión, y pueden funcionar en modo CW con
una eficiencia superior al 50%. Se ha diseñado un método que permite un uso de
la energía aún más eficiente. Implica el montaje vertical de láseres
minúsculos, con una densidad superior al millón por centímetro cuadrado. Entre
los usos más comunes de los láseres de semiconductores están los reproductores
de discos compactos y las impresoras láser.
Láseres líquidos Los medios más comunes en los láseres
líquidos son tintes inorgánicos contenidos en recipientes de vidrio. Se bombean
con lámparas de destello intensas —cuando operan por pulsos— o por un láser de
gas —cuando funcionan en modo CW. La frecuencia de un láser de colorante
sintonizable puede modificarse mediante un prisma situado en la cavidad del
láser.
Láseres de electrones
libres En 1977 se desarrollaron por
primera vez láseres que emplean para producir radiación haces de electrones, no
ligados a átomos, que circulan a lo largo de las líneas de un campo magnético;
actualmente están adquiriendo importancia como instrumentos de investigación.
Su frecuencia es regulable, como ocurre con los láseres de colorante, y en
teoría un pequeño número podría cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo
hasta los rayos X. Con los láseres de electrones libres debería generarse
radiación de muy alta potencia que actualmente resulta demasiado costosa de
producir.
Aplicaciones del laser
Los posibles usos del láser
son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa en la
industria, la investigación científica, la tecnología militar o el arte.
Industria
Es posible enfocar sobre un
punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad
de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales
de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para taladrar diamantes,
modelar máquinas herramientas, recortar componentes micro electrónico, calentar
chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o
intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso
producido por un láser también hace posibles fotografías de alta velocidad con
un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la construcción
de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.
Investigación
científica Los láseres se emplean para
detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas
geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos de
contaminación atmosférica. Los láseres se han empleado igualmente para
determinar con precisión la distancia entre la Tierra y la Luna y en
experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy
rápidos activados por láser para su uso en aceleradores de partículas, y se han
diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un número reducido de
átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy
elevada. Como la luz del láser es muy direccional y monocromática, resulta
fácil detectar cantidades muy pequeñas de luz dispersa o modificaciones en la
frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los científicos han
conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los láseres han hecho que se
pueda determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes;
también permiten inducir reacciones químicas de forma selectiva y detectar la
existencia de trazas de sustancias en una muestra.
Comunicaciones La luz de un láser puede viajar largas
distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la intensidad
de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar, por
ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que transportan las
microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las comunicaciones
espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten
luz láser para la comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de
computadoras. También se han empleado técnicas láser para registrar información
con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz láser simplifica el registro de
un holograma, a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional
mediante un rayo láser.
Medicina
Con haces intensos y
estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una
fracción de segundo sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha
empleado para `soldar' la retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y
cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para
realizar pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas.
Tecnología militar Los sistemas de guiado por láser para
misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de
colorante sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula
puede llevar a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la
fabricación de armas nucleares.
Medidas de seguridad
El principal peligro al
trabajar con láseres es el daño ocular, ya que el ojo concentra la luz láser
igual que cualquier otro tipo de luz. Por eso, el haz del láser no debe incidir
sobre los ojos directamente ni por reflexión. Un láser debe ser manejado por
personal experto equipado con gafas o anteojos de seguridad.
LÁSER ATÓMICO En enero de 1997, un equipo de físicos
estadounidenses anunció la creación del primer láser compuesto de materia en
vez de luz. Del mismo modo que en un láser de luz cada fotón viaja en la misma
dirección y con la misma longitud de onda que cualquier otro fotón, en un láser
atómico cada átomo se comporta de la misma manera que cualquier otro átomo,
formando una “onda de materia” coherente.
Los científicos confían en
las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los láseres atómicos,
aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los láseres de luz
debido a que los átomos están sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan
unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.
La cirugía con láser muestra
las muchas aplicaciones que el láser presenta en el tratamiento de distintas
enfermedades, como la limpieza de la luz de las arterias, la disgregación de
cálculos renales o la eliminación de cataratas. El texto que se reproduce a
continuación muestra algunas de estas aplicaciones.
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SEMANA15
SESIÓN
43
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Física 2
UNIDAD 6: FÍSICA Y
TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS
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contenido
temático
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6.13 Nuevas tecnologías y nuevos materiales: Láseres
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Aprendizajes esperados del grupo
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Conceptuales
Procedimentales
·
Elaboración
de indagaciones bibliográficas y resúmenes.
·
Realización
de experimentos
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
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Materiales generales
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Computo:
-
PC, Conexión a internet
De
proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación en Power Point; examen
diagnóstico, programa del curso.
De laboratorio:
Apuntador de rayo laser, Vaso de
precipitados de 1000 ml, espejos, polvo de gis.
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Desarrollo del proceso
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FASE
DE APERTURA
-
El Profesor
hace la presentación de la pregunta:
Los alumnos discuten en equipo y presentan
sus respuestas y se lleva a cabo una discusión extensa.
FASE
DE DESARROLLO
Los alumnos desarrollan las
actividades de acuerdo a las indicaciones del Profesor
-
Solicitar el material requerido para realizar
las actividades siguientes:
1.- Rayo láser
Se usa un emisor láser de tipo común (llavero). Al apuntar con el emisor a una superficie se puede observar un punto rojo que corresponde a la incidencia del rayo láser sobre esa superficie. Si se espolvorea un polvo entre el emisor y el punto se puede observar el rayo láser debido a la reflexión del mismo en las partículas de polvo. 
2.- Rayo láser dentro de un
vaso de vidrio
Se utiliza el vaso de precipitados dentro de la cual se coloca un poco de humo. Desde la parte externa de la caja se activa un emisor láser de tipo común (llavero), se puede observar el rayo solamente dentro de la caja fuera de ella no se percibe. 
3.- Rayo láser a través del
agua
Se utiliza vaso de precipitados con agua en la cual se ha agregado un poquito de leche. Se emite un rayo láser en la parte externa y se dirige de tal manera que atraviese la caja. Se puede observar que el rayo se ve claramente dentro de la caja pero no se percibe fuera de ella.
4.- Trayectoria de la luz en
una superficie transparente
En vaso de precipitados que contiene humo se coloca un vidrio transparente en posición vertical. Al hacer incidir un rayo láser, formando un ángulo con la superficie de trasparente, se puede observar que parte del rayo atraviesa la superficie y otra parte se refleja en la misma, siendo de menor intensidad el rayo reflejado.
8.- Reflexión especular de la
luz
Se utiliza el vaso de precipitados contiene un poco de humo. Al hacer incidir un rayo láser, proveniente de un apuntador, sobre un espejo colocado en su base, se puede observar que el rayo se refleja de forma nítida.
-
Los alumnos discuten y obtiene
conclusiones.
FASE DE CIERRE
Al final de las presentaciones, se lleva
a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo que se aprendió y aclaración de dudas por
parte del Profesor.
Actividad Extra clase:
Los
alumnos llevaran la información a su
casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas de la
siguiente sesión, de acuerdo al cronograma.
Los alumnos que tengan PC y
Programas elaboraran su informe, empleando el programa Word, para registrar los resultados.
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Evaluación
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Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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Referencias
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www.laserlab.com.mx
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Superconductores
y Fibra Óptica
La fibra óptica puede
decirse que fue obtenida en 1951, con una atenuación de 1000 dB/Km. (al
incrementar la distancia 3 metros la potencia de luz disminuía ½), estas
perdidas restringía, las transmisiones ópticas a distancias cortas. En 1970, la
compañía de CORNING GLASS de Estados Unidos fabricó un prototipo de fibra
óptica de baja perdida, con 20 dB/Km. Luego se consiguieron fibras de 7 dB/Km.
(1972), 2.5 dB/Km. (1973), 0.47 dB/Km. (1976), 0.2 dB/Km. (1979). Por tanto a
finales de los años 70 y a principios de los 80, el avance tecnológico en la
fabricación de cables ópticos y el desarrollo de fuentes de luz y detectores,
abrieron la puerta al desarrollo de sistemas de comunicación de fibra óptica de
alta calidad, alta capacidad y eficiencia. Este desarrollo se vio apoyado por
diodos emisores de luz LEDs, Fotodiodos y LASER (amplificación de luz por
emisión estimulada de radiación).
La Fibra Óptica es una
varilla delgada y flexible de vidrio u otro material transparente con un índice
de refracción alto, constituido de material dieléctrico (material que no tiene
conductividad como vidrio o plástico), es capaz de concentrar, guiar y transmitir
la luz con muy pocas pérdidas incluso cuando esté curvada. Está formada por dos
cilindros concéntricos, el interior llamado núcleo (se construye de elevadísima
pureza con el propósito de obtener una mínima atenuación) y el exterior llamado
revestimiento que cubre el contorno (se construye con requisitos menos
rigurosos), ambos tienen diferente índice de refracción ( n2 del revestimiento
es de 0.2 a 0.3 % inferior al del núcleo n1 ).
El diámetro exterior del
revestimiento es de 0.1 mm . Aproximadamente y el diámetro del núcleo que
transmite la luz es próximo a 10 ó 50 micrómetros. Adicionalmente incluye una
cubierta externa adecuada para cada uso llamado recubrimiento.
Ventajas de la tecnología de
la fibra óptica
Baja Atenuación
Las fibras ópticas son el
medio físico con menor atenuación. Por lo tanto se pueden establecer enlaces
directos sin repetidores, de 100 a 200 Km . con el consiguiente aumento de la
fiabilidad y economía en los equipamientos.
Gran ancho de banda
La capacidad de transmisión
es muy elevada, además pueden propagarse simultáneamente ondas ópticas de
varias longitudes de onda que se traduce en un mayor rendimiento de los
sistemas. De hecho 2 fibras ópticas serían capaces de transportar, todas las
conversaciones telefónicas de un país, con equipos de transmisión capaces de
manejar tal cantidad de información (entre 100 MHz/Km a 10 GHz/Km).
Peso y tamaño reducidos
El diámetro de una fibra
óptica es similar al de un cabello humano. Un cable de 64 fibras ópticas, tiene
un diámetro total de 15 a 20 mm . y un peso medio de 250 Kg/km. Si comparamos
estos valores con los de un cable de 900 pares calibre 0.4 (peso 4,000 Kg/Km y
diámetro 40 a 50 mm ) se observan ventajas de facilidad y costo de instalación,
siendo ventajoso su uso en sistemas de ductos congestionados, cuartos de
computadoras o el interior de aviones.
Gran flexibilidad y recursos
disponibles
Los cables de fibra óptica
se pueden construir totalmente con materiales dieléctricos, la materia prima
utilizada en la fabricación es el dióxido de silicio (Si0 2 ) que es uno de los
recursos más abundantes en la superficie terrestre.
Aislamiento eléctrico entre
terminales
Al no existir componentes
metálicos (conductores de electricidad) no se producen inducciones de corriente
en el cable, por tanto pueden ser instalados en lugares donde existen peligros
de cortes eléctricos.
Ausencia de radiación
emitida
Las fibras ópticas
transmiten luz y no emiten radiaciones electromagnéticas que puedan interferir
con equipos electrónicos, tampoco se ve afectada por radiaciones emitidas por
otros medios, por lo tanto constituyen el medio más seguro para transmitir
información de muy alta calidad sin degradación.
Costo y mantenimiento
El costo de los cables de
fibra óptica y la tecnología asociada con su instalación ha caído drásticamente
en los últimos años. Hoy en día, el costo de construcción de una planta de
fibra óptica es comparable con una planta de cobre. Además, los costos de
mantenimiento de una planta de fibra óptica son muy inferiores a los de una planta
de cobre. Sin embargo si el requerimiento de capacidad de información es bajo
la fibra óptica puede ser de mayor costo.
Las señales se pueden
transmitir a través de zonas eléctricamente ruidosas con muy bajo índice de
error y sin interferencias eléctricas.
Las características de
transmisión son prácticamente inalterables debido a los cambios de temperatura,
siendo innecesarios y/o simplificadas la ecualización y compensación de las
variaciones en tales propiedades. Se mantiene estable entre -40 y 200 ºC .
Por tanto dependiendo de los
requerimientos de comunicación la fibra óptica puede constituir el mejor
sistema.
Desventajas de la fibra
óptica
El costo de la fibra sólo se
justifica cuando su gran capacidad de ancho de banda y baja atenuación es
requerida. Para bajo ancho de banda puede ser una solución mucho más costosa
que el conductor de cobre.
La fibra óptica no transmite
energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de recepción
debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe proveerse por
conductores separados.
Las moléculas de hidrógeno
pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la atenuación.
El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más
importante para el envejecimiento de la fibra óptica.
Incipiente normativa
internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de los
componentes, calidad de la transmisión y pruebas.
Y
la recapitulación de las mismas…
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SEMANA15
SESIÓN
45
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Física 2
UNIDAD 6: FÍSICA Y
TECNOLOGÍA CONTEMPORÁNEAS
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contenido
temático
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RECAPITULACION
15
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Aprendizajes esperados del grupo
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Conceptuales
·
Comprenderá las características
de las fibras ópticas y el Rayo laser, los superconductores y la
nanotecnología.
·
Procedimentales
·
Elaboración
de resúmenes y conclusiones.
·
Presentación
en equipo
Actitudinales
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Materiales generales
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Computo:
-
PC, Conexión a internet
De
proyección:
-
Cañón Proyector
Programas:
-
Moodle, Google docs, correo
electronico, Excel, Word, Power Point.
Didáctico:
-
Presentación del resumen de las dos sesiones
de acuerdo al programa del curso.
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Desarrollo del proceso
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FASE DE APERTURA
-
Cada equipo realizara una autoevaluación de los temas aprendidos en las dos
sesiones anteriores.
1.
¿Qué temas se abordaron?
2. ¿Que aprendí?
3. ¿Qué dudas tengo?
FASE DE DESARROLLO
- Les solicita que un alumno de cada
equipo lea el resumen elaborado.
- El Profesor pregunta acerca de las dudas
que tengan acerca de los temas vistos en las dos sesiones anteriores Láseres,
Superconductores, Fibra Óptica y Nanotecnología.
FASE DE CIERRE
El Profesor concluye con un repaso de la
importancia actual de Láseres, Superconductores, Fibra
Óptica y Nanotecnología.
Revisa el trabajo a cada alumno y lo
registra en la lista.
Actividad Extra clase:
Los
alumnos llevaran la información a su
casa y los que tengan computadora e internet, indagaran los temas siguientes
de acuerdo al cronograma, solicitándoles que incluyan fotos de los
experimentos en el Blog que contendrá su información, asimismo se les
solicitara que los equipos formados, se comuniquen vía e-mail u otro programa para comentar y analizar los
resultados para presentarla al Profesor en la siguiente clase.
Los
alumnos que tengan PC y Programas elaboraran su informe, empleando el
programa Word, para registrar los
resultados.
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Evaluación
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Informe
en Power Point de la actividad.
Contenido:
Resumen de la Actividad.
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Referencias
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1
Programa de Estudios, Física I a IV, CCH, UNAM, México, 1993.
3. fisica2005.unam.mx/index.
28-02-2010
4. www.nucleares.unam.mx/.
28-02-2010
5. www.atmosfera.unam.mx 28-02-2010
6.
bibliotecadigital.ilce.edu.mx/28-02-2010
7. www.cienciorama.unam.mx/index28-02-2010
8.
www.astrosmo.unam.mx 28-02-2010
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SEMANA
15
28,
30. 04. 2015
http://www.textoscientificos.com/redes/fibraoptica
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