INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS

Sección De Estudios De Posgrado E Investigación

Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica

“Efectos de Bioestimulación sobre el Crecimiento de Semillas de Trigo empleando Láseres de Diodo Pulsados de 904 nm”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS

PRESENTA:

ING. SONIA MARLENE CARRILLO RIVAS

ASESOR: DR. ALEXANDRE MICHTCHENKO

México, D. F. DICIEMBRE 2009

II

III

IV

AGRADECIMIENTOS

Socorro Rivas Montenegro

Mi madre, que con gran esfuerzo pusiste todo tu empeño para que yo pudiera lograr hasta ahora

todas mis metas, por apoyarme incondicionalmente en todas mis decisiones, por creer en mí, por

ser una gran amiga, por el gran amor y comprensión que siempre me has brindado. Agradezco cada

momento en el que estuviste a mi lado incentivándome a terminar este trabajo.

M. Gaston Salinas Carpio Mi esposo, porque siempre me has causado gran admiración siendo para mí un gran ejemplo a

seguir. Gracias por el amor que me has brindado todos estos años. Agradezco toda la confianza que

has depositado en mí, por todas tus recomendaciones y consejos y sobre todo por el apoyo

incondicional que siempre tienes para mí. Por ser un excelente compañero y por llenar mi vida cada

día de alegrías, amor y satisfacciones.

Dey y Vane Rivas M.

Mis hermanas, por creer en mí como lo hacen, por toda la alegría que traen a mi vida, por los

valiosos consejos y por siempre acompañarme siempre en cada logro de mi vida. A Vane por ser más

que mi hermana una madre y estar siempre al pendiente de mi. A Dey por ser mi mejor amiga y por

tu valiosa confianza. Agradezco que compartan conmigo todas sus ilusiones.

Alfonso Rivas y Marco A. Pacheco

Mis hermanos, por el apoyo y confianza brindados. A Alfonso por el esfuerzo que has puesto por

recuperar el tiempo perdido y ser el gran hermano que ahora eres, por darme el ejemplo de ser

muy trabajador y que se puede lograr cualquier cosa que te propongas. A Marco, por ser más que mí

cuñado mí hermano, por cuidarme, por tus valiosos consejos, por esa alegría por la vida que siempre

te ha caracterizado, por ser un excelente ser humano.

Antonio González M.

Mi amigo, por esa gran amistad que hemos cultivado. Agradezco todo el apoyo que me brindas sin

condiciones, por estar al pendiente de mí, por tus preocupaciones y cariño, por hacer de mi estancia

en la maestría más amena.

Alexandre Michtchenko Mi asesor de tesis, por haber creído en mi todos estos años, por brindarme las herramientas

necesarias para desarrollar y concluir con éxito este trabajo. Por impulsar mí desarrollo en la

investigación. Agradezco toda la confianza recibida.

V

E. Zoe Arroyo y Elda R. González Mis amigas y compañeras de cubículo, por las horas que compartimos juntas. Agradezco a Zoe por la

amistad que hemos conseguido durante estos dos años, por ser tan alegre y trabajadora. A Elda por

ser una gran amiga y por el apoyo moral que siempre he recibido de ti.

Mauricio Hernández V.

Amigo y compañero de trabajo. Por todas las herramientas y conocimiento que me brindaste

durante el último año para poder concluir esta tesis y por hacer mi estancia en los pesados más

alegre.

Santiago Mera C.

Mi mejor amigo, por todas las aventuras que hemos pasado juntos desde la licenciatura, por ser

quien siempre está dispuesto a ayudar. Agradezco mucho tu amistad incondicional.

José Luis López Bonilla Profesor y amigo, por su solidaridad, ayuda y consejos.

Raúl Peña, Roberto Linares, Héctor Caltenco, Francisco Gallegos, Sergio Vidal

Profesores de la maestría. Gracias por el apoyo recibido.

VI

INDICE

INDICE................................................................................................................................................................... VI

GLOSARIO DE TÉRMINOS .................................................................................................................................... VIII

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................................... IX

ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................................................. XI

RESUMEN..............................................................................................................................................................12

ABSTRACT .............................................................................................................................................................13

OBJETIVO ..............................................................................................................................................................14

JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................................................14

CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE.............................................................................................................................15

1.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 15 1.2 ESTUDIO BIBLIOGRÁFICO.......................................................................................................................................... 15 1.3 FITOCROMOS ......................................................................................................................................................... 20 1.4 FACTORES IMPORTANTES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE BIOESTIMULACIÓN ............................................................. 21

CAPITULO 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL LÁSER DE DIODO........................................................................26

2.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 26 2.2 PROPIEDADES BÁSICAS DE LA LUZ LÁSER ..................................................................................................................... 26

2.2.1 Estructura Básica de un Láser.................................................................................................................... 29 2.3 LÁSER DE DIODO .................................................................................................................................................... 31

2.3.1 Ventajas y desventajas del láser de diodo ................................................................................................. 31 2.3.2 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo......................................................... 32 2.3.3 Homoestructruras y Heteroestructuras en un láser de diodo................................................................... 33 2.3.4 Características eléctricas y ópticas de un láser de diodo a considerar en el diseño del controlador y fuente de alimentación....................................................................................................................................... 34

2.4 DIFERENCIA ENTRE LUZ CONTINUA Y PULSADA.............................................................................................................. 38

CAPÍTULO 3. EQUIPO DE FOTOBIOESTIMULACIÓN ................................................................................................40

3.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 40 3.2 FUENTE DE ALIMENTACIÓN Y CONTROL DEL LÁSER DE DIODO PULSADO............................................................................ 40

3.2.1 Características Ópticas y Eléctricas del Diodo Láser utilizado ................................................................... 40 3.2.2 Fuentes de alimentación de voltaje y corriente ......................................................................................... 42 3.2.3 Circuito de Control de Láser Pulsado ......................................................................................................... 49 3.2.4 Circuito de Retroalimentación por fotodiodo ............................................................................................ 51 3.2.4 Circuito Final Propuesto............................................................................................................................. 52

3.3 CARACTERIZACIÓN DEL LÁSER DE DIODO ...................................................................................................................... 55 3.3.1 Medición del ancho del pulso del láser pulsado con λ=904nm ................................................................. 55 3.3.2 Medición del patrón de radiación del diodo láser pulsado con λ=904nm ................................................. 59 3.3.3 Medición de la energía por pulso del diodo láser pulsado con λ=904nm .................................................. 63

VII

CAPITULO 4. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................................................67

4.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 67 4.2 DEFINICIÓN DE LOS TRATAMIENTOS CON RADIACIÓN LÁSER ............................................................................................ 67

4.2.1 Intensidad de Radiación ............................................................................................................................ 67 4.2.3 Tratamientos aplicados al objeto biológico............................................................................................... 71 4.2.4 Dosis aplicada al objeto biológico ............................................................................................................. 71

4.3 DISEÑO EXPERIMENTAL: MATERIAL Y CONDICIONES EXPERIMENTALES .............................................................................. 72 4.3.1 Elección del objeto biológico...................................................................................................................... 72 4.3.2 Diseño Experimental .................................................................................................................................. 73

CAPÍTULO 5. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS Y RESULTADOS .............................................................................76

5.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 76 5.2 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS ................................................................................................................................ 76 5.3 RESULTADOS ......................................................................................................................................................... 79

5.3.1 Resultados para la Intensidad de I = 0.95 mW/cm2................................................................................... 79

5.3.2 Resultados para la Intensidad de I = 1.9 mW/cm2..................................................................................... 86

5.3.3 Resultados para la Intensidad de I = 3.8 mW/cm2..................................................................................... 93

DISCUSION DE RESULTADOS ...............................................................................................................................100

CONCLUSIONES ...................................................................................................................................................102

TRABAJO A FUTURO............................................................................................................................................103

REFERENCIAS.......................................................................................................................................................104

ANEXO 1. ............................................................................................................................................................... 107 ANEXO 2. ............................................................................................................................................................... 110 ANEXO 3 ................................................................................................................................................................ 113

VIII

Glosario de Términos

nm nanómetros. λ Longitud de onda de la luz. Sus unidades son los nanómetros (nm). He-Ne Láser de Helio-Neón. I Intensidad de radiación. Sus unidades se expresan en [W/cm2]. t Tiempo de aplicación de la radiación láser. Sus unidades son los

segundos [s]. P Potencia [W] D Dosis de energía por centímetro cuadrado [J/ cm2]. Fitocromo Proteína fitocrómica foto-receptora cuyos orígenes han sido trazados a

partir de los procariontes fotosintéticos. Material P Material semiconductor en el cual hay un mayor número de huecos. Material N Material semiconductor en el cual hay un mayor número de electrones. Región PN Es el punto de unión en donde se une el material P y el material N. Láser Acrónimo de la palabra Amplificación de luz por emisión estimulada de

radiación (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). IR Radiación infrarroja. CW Onda continua. CA Corriente alterna. CD Corriente directa. GaAs Material semiconductor de Arseniuro de Galio. AlGaAs Material semiconductor de Arseniuro de Galio Aluminio. Plúmula Pequeño brote de planta, que durante la germinación proporcionará el tallo

y las hojas. Radícula Parte del embrión de las plantas que da lugar a la raíz.

IX

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Espectro de absorción de los fitocromos ................................................................................ 21 Figura 1.2 Efectos de bioestimulación en función de la longitud de onda para un cultivo de E.coli cuando la intensidad y el tiempo son constantes y la longitud de onda varia ...................................... 22 Figura 1.3 Efectos de la bioestimulación en función del tiempo de irradiación en el crecimiento de bacterias de E.coli ....................................................................................................................................... 23 Figura 1.4 Efectos de la bioestimulación en función de distintas longitudes de onda e intensidades en el crecimiento de bacterias de E.coli................................................................................................... 24 Figura 1.5 Respuesta de estimulación para los sistemas biológicos. ................................................... 25

Figura 2.1 Esquema del espectro electromagnético desde la región del ultravioleta hasta el infrarrojo .......................................................................................................................................................... 27 Figura 2.2 Proceso de Absorción. ............................................................................................................... 28 Figura 2.3 Emisión espontánea................................................................................................................... 28 Figura 2.4 Emisión estimulada. ................................................................................................................... 29 Figura 2.5 Componentes principales del láser.......................................................................................... 30 Figura 2.6 (a) Estructura Láser Homounión (b) Estructura Láser Heterounión ................................... 33 Figura 2.7 Gráfica de potencia contra corriente en un diodo láser ........................................................ 34 Figura 2.8 Efectos de la temperatura sobre la corriente. ........................................................................ 35 Figura 2.9 Divergencia del Haz en un Diodo Láser.................................................................................. 37 Figura 2.10 Astigmatismo del Haz en un Diodo Láser ............................................................................ 38 Figura 2.11 Comparación de Luz Pulsada con Luz Continua................................................................. 38

Figura 3.1 Regulador LM317 configurado como fuente de voltaje. ....................................................... 42 Figura 3.2 Fuente de Voltaje con circuito de protección ....................................................................... 43 Figura 3.3 Fuente de Voltaje con encendido lento ................................................................................... 44 Figura 3.4 Regulador LM317 configurado como fuente de corriente. ................................................... 45 Figura 3.5 Fuente para incrementar corriente con limitación de corriente. .......................................... 48 Figura 3.6 Fuente de alimentación de tensión ajustable y encendido lento con circuito para incrementar la corriente y limitación de corriente. .................................................................................... 48 Figura 3.7 Diagrama de terminales del PIC18F452 ................................................................................ 50 Figura 3.8 Diagrama de conexiones del controlador para tiempos de radiación y frecuenci ............ 51 Figura 3. 9 Señal generada por el controlador para cinco tiempos de radiación y una frecuencia. . 50 Figura 3.10 Circuito de retroalimentación por fotodiodo.......................................................................... 51 Figura 3.11 Circuito final propuesto de alimentación, control de tiempos de radiación y frecuencia y circuito de retroalimentación por fotodiodo................................................................................................ 53 Figura 3.12 Pulsos generados por el equipo de fotobioestimulación para tres tiempos de radiación........................................................................................................................................................................... 54 Figura 3.13 Respuesta espectral relativa del fotodiodo MRD500 ......................................................... 55 Figura 3.14 Circuito de polarización del fotodiodo. .................................................................................. 57 Figura 3.15 Gráfica de los pulsos obtenidos en la resistencia de 100kΩ. ............................................ 58 Figura 3.16 Gráfica del ancho del pulso del diodo láser. ........................................................................ 58 Figura 3.17 Haz de luz del diodo láser visto con una cámara de visión infrarroja. ............................. 59 Figura 3.18 Arreglo experimental propuesto para medir el patrón de radiación del láser de diodo. 60 Figura 3.19 Patrón de radiación normalizado del diodo láser pulsado con λ=904 nm. ...................... 61 Figura 3.20 Gráfica de contornos del patrón de radiación del láser pulsado. ...................................... 62 Figura 3.21 Experimento para medir la energía de un dispositivo láser. .............................................. 64

X

Figura 4.1 Potencia promedio en función de la potencia pico, frecuencia y ancho de pulso ............ 68 Figura 4.2 Zona de radiación empleada en los tratamientos láser. ....................................................... 70 Figura 4.3 Trigo de la especie “Triticum Aestivum L.” variedad Náhuatl F2000. ................................. 72 Figura 4.4 Planeación de los experimentos. ............................................................................................. 75

Figura 5.1 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para.......................................................................................................................................................................... 80 Figura 5.2 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para I = 0.95 mW/cm2 y un tiempo de 30 s......................................................................................................... 81 Figura 5.3 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 0.95 mW/cm2........................ 83 Figura 5.4 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 0.95 mW/cm2.............................. 85 Figura 5 5 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para I = 1.9 mW/cm2 y un tiempo de 60 .s .......................................................................................................... 87 Figura 5.6 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para..... 88 Figura 5.7 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 1.9 mW/cm2

.......................... 90 Figura 5.8 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 1.9 mW/cm2. ............................... 92 Figura 5.9 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para I = 3.8 mW/cm2 y el control. ......................................................................................................................... 94 Figura 5.10 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para I = 3.8 mW/cm2 y un tiempo de 240 s......................................................................................................... 95 Figura 5.11 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 3.8 mW/cm2........................ 97 Figura 5.12 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 3.8 mW/cm2.............................. 99

XI

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo. .................................. 32 Tabla 2.2 Parámetros de la luz láser pulsada. .......................................................................................... 39

Tabla 3.1 Características ópticas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia de 1KHz ...................................................................................................................................... 41 Tabla 3.2 Características eléctricas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia de 1KHz ...................................................................................................................................... 41 Tabla 3.3 Características del fotodiodo MRD500 .................................................................................... 56 Tabla 3.4 Especificaciones de la Punta de Prueba RjP-735 ................................................................. 63 Tabla 3.5 Datos obtenidos a partir de la punta de prueba y del radiómetro......................................... 65 Tabla 3.6 Comparación de los valores dados por el fabricante y los valores medidos. ..................... 66

Tabla 5.1 Correlaciones para I = 0.95 mW/cm2 para la parte aérea..................................................... 80 Tabla 5.2 Correlaciones para I = 0.95 mW/cm2 para la parte radícula. ............................................... 81 Tabla 5. 3 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 0.95 mW/cm2

......................................... 82 Tabla 5.4 Estadística descriptiva de la radícula para I = 0.95 mW/cm2

................................................ 84 Tabla 5.5 Correlaciones para I = 1.9 mW/cm2 para la parte aérea....................................................... 86 Tabla 5.6 Correlaciones para I = 1.9 mW/cm2 para la parte radícula................................................... 88 Tabla 5.7 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 1.9 mW/cm2

............................................ 89 Tabla 5.8 Estadística descriptiva de la radícula para I = 1.9 mW/cm2

.................................................. 91 Tabla 5.9 Correlaciones para I = 3.8 mW/cm2 para la parte aérea....................................................... 93 Tabla 5.10 Correlaciones para I = 3.8 mW/cm2 para la parte radícula. ............................................... 95 Tabla 5.11 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 3.8 mW/cm2 ......................................... 96 Tabla 5.12 Estadística descriptiva de la radícula para I = 3.8 mW/cm2

................................................ 98

12

RESUMEN

El uso de radiación con láser como un método físico de bioestimulación en semillas

antes de la siembra es una opción cuyo auge ha ido en aumento a partir de la

necesidad que se vive a nivel mundial de mantener cultivos abundantes,

independientemente de las condiciones climáticas y sin dañar el medio ambiente. La

radiación con láser es un método que produce variaciones a nivel celular que influyen

en el crecimiento y desarrollo de la planta. Los efectos que pueden encontrarse

dependen principalmente de la longitud de onda del láser, de la intensidad y del tiempo

de exposición.

En este trabajo se determinan las intensidades y tiempos de radiación de un equipo

diseñado con láseres de diodo pulsados con λ=904 nm para producir efectos de

bioestimulación sobre dos parámetros fisiológicos de la semilla de trigo del tipo “Triticum

Aestivum L” de la variedad Náhuatl F2000: el crecimiento de la parte aérea y el

crecimiento de la raíz. El diseño experimental se llevo a cabo a través de los

lineamientos y requisitos establecidos por la ISTA (International Seed Testing

Association) 2009. De los datos obtenidos se obtuvo la estadística descriptiva para

analizar la existencia de efectos de estimulación en este tipo de semilla.

13

ABSTRACT

Laser radiation as a physical method of biostimulation on seeds pre-sowing is an option

whose importance has increased from the actually needs in worldwide to maintain

abundant crops, regardless of weather conditions and without damaging the

environment. Laser radiation is a method that produces variations at the cellular level

that influence growth and plant development. The effects can found mainly depend on

laser wavelength, the intensity and exposure time.

In this research we determine the radiation intensities and times of a system designed

with pulsed diode lasers with λ = 904 nm to produce biostimulation effects on two

physiological parameters of wheat seed "Triticum aestivum L" of the variety

Nahuatl F2000: the growth of steam and root. The experimental design was carried out

through the guidelines and requirements established by the ISTA (International Seed

Testing Association) 2009. From the data obtained descriptive statistics to analyze the

existence of stimulatory effects in this type of seed.

14

OBJETIVO

Investigar los efectos de estimulación sobre el crecimiento de semillas de trigo

(“Triticum Aestivum L.”variedad Náhuatl F200) provocados por un sistema basado en

láseres de diodos pulsados con λ = 904 nm.

JUSTIFICACIÓN

La creciente necesidad de un método alternativo de tratamiento de semillas que permita

mejorar la calidad de la semilla, principalmente la obtención de una raíz bien

desarrollada y ramificada en una etapa temprana, ya que garantiza la fijación de la

planta al suelo, la absorción de agua, sales minerales y nutrientes, proporcionado la

energía necesaria para cumplir todas sus funciones, es de gran importancia. Por lo que

es necesario investigar métodos físicos alternativos que ayuden a mejorar parámetros

fisiológicos de las semillas.

Considerando la importancia de estos aspectos se propone el uso de un equipo de

bioestimulación basado en diodos láser infrarrojos de pulsos para determinar los

parámetros específicos de este tipo de luz que producen efectos de estimulación

positivos sobre semillas de trigo, principalmente en la raíz. Además de que no existen

trabajos de investigación sobre la influencia de este tipo de luz láser como tratamiento

en semillas de trigo antes de la siembra.

15

CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE

1.1 Introducción

En la actualidad se busca desarrollar nuevos métodos bioestimuladores que protejan

las cosechas, el ambiente y los alimentos con el objetivo de que no produzcan el

deterioro de la naturaleza [1]. Uno de los métodos físicos que se ha empleado es la

estimulación con luz láser, con el objetivo de activar y mejorar los procesos de

crecimiento y germinación en semillas de plantas [1]. En diversas investigaciones, se

observa que la incorporación de la radiación láser en semillas antes de la siembra podía

tener una acción estimulante sobre ciertos procesos biológicos, tales como acelerar el

proceso de crecimiento, aumentar la tasa de germinación y mejorar la resistencia a

enfermedades y plagas [2-18].

1.2 Estudio Bibliográfico

Existen diversas investigaciones sobre la aplicación de la luz láser como

bioestimulador de semillas, en cada investigación existen variantes tales como longitud

de onda empleada, potencia de salida del láser, si la onda es continua o pulsada, los

tiempos de exposición, si se trata de luz pulsada la frecuencia de los pulsos y ancho

del pulso, además existen variantes del tipo de semilla y en los métodos de tratamiento

de la misma [2-18].

Algunas investigaciones recientes que utilizan radiación láser para provocar efectos

de bioestimulación se presentan a continuación.

16

En el estudio de 1997 presentado por G. Vasilevski y D. Bosev [3], se utilizó un láser

de He-Ne con longitud de onda de 632.8 nm y potencia de salida de 20 mW como un

método de bioestimulación de semillas de papa antes de la siembra y fue llevada hasta

la etapa de cosecha. De esta investigación se obtuvo que las semillas tratadas con

láser de He-Ne tuvieron un incremento en el número de papas por planta del 43.1%

mayor que las semillas sin radiar (control). Además, se incremento el peso de las papas

en 21.4% con respecto al control.

En 1998, los investigadores Guardia Gutiérrez y R. Casate Fernández [4],

investigaron la influencia de la radiación láser de baja potencia en el rendimiento de

semillas de cebolla de la variedad Red Creole. Las semillas fueron tratadas pre-siembra

con un laser de He-Ne de 25 mW de potencia, con una longitud de onda de 632.8 nm.

Cada muestra fue expuesta al haz láser durante 0.25 y 1 minuto, a lo anterior se anexa

un testigo (semilla sin radiar). De esta investigación se obtuvo una estimulación positiva

del 17.5% en los tratamientos donde el láser se aplico durante 1 minuto con respecto al

testigo. Esto demostró una estimulación en el desarrollo y formación de este tipo de

cebolla con estos tratamientos.

Posteriormente en 1999, los investigadores D. Drozd, y H. Szajsner [5],

estudiaron el uso un láser de He-Ne de 15 mW de potencia para la estimulación de

tipos de semillas de trigo: ALkora, Banti, Eta, Henike, Hera, Igna, Ismena, Jota, Omega

y Sigma. Se aplicaron dos métodos llamados “D” y “R”. Del método “D”, se tomaron

tres intensidades: DI= 1.5X10-3 W/cm2, DII= 2DI (doble intensidad) y DIII= 3DI (triple

intensidad). Del método “R” se tomaron otras tres intensidades: RI= 1.48X10-5 W/cm2,

RII= 2RI (doble intensidad) y RIII= 3RI (triple intensidad) durante un tiempo de radiación

de 2.7 s. Después del séptimo día se midió la longitud del coleóptilo y en el día 14 se

midieron las raíces. De este experimento se obtuvo que la longitud del coleóptilo se

incremento con respecto al control. La mayor longitud del coleóptilo se obtuvo con el

tratamiento RI en el genotipo Alkora con un nivel de estimulación del 48.8% con

respecto al control. El tratamiento RIII incremento la longitud de la raíz solo para el tipo

17

Ismera con un nivel de crecimiento de 24.59% con respecto al nivel de control. Un

parámetro que no es especificado en este trabajo es la longitud de onda a la que se

llevaron a cabo los tratamientos láser.

En el trabajo realizado por los investigadores Anna Podleoena y Janusz

Podleoeny en 2001 [6], aplicaron luz láser en tratamientos antes de la siembra en

semillas de haba. En esta investigación se variaron dos parámetros: la intensidad de la

luz y las condiciones de temperatura. Los resultados obtenidos fueron que las semillas

radiadas emergieron del suelo entre 3 y 4 días más rápido que las semillas que no

fueron radiadas. Además se hicieron experimentos comparando semillas radiadas a

baja temperatura y en condiciones de temperatura óptimas. Se observó que la

emergencia de semillas en condiciones de baja temperatura y en condiciones óptimas

se incremento como consecuencia de la radiación en 9.6% y 7.4% respectivamente con

respecto a semillas sin radiar. Este artículo no especifica los valores de baja y óptima

temperatura óptima a los que se hicieron los experimentos. Sin embargo se observa

que es posible obtener efectos de bioestimulación cuando se radia semilla de haba

independientemente de las condiciones térmicas del ambiente.

En 2002, L. Cepero y A.R. Mesa [7], emplearon semillas de Albizia Lebbeck, a

las cuales se les redujo su humedad al 10, 13 y 16%. Posteriormente se sometieron a la

acción de la radiación de un láser de He-Ne con una longitud de onda de 632.8 nm y

potencia de 2 mW. Se utilizaron diferentes tiempos de exposición para cada porcentaje

de humedad: 15, 20 y 25 segundos y 10, 15 y 20 minutos. Después de ser radiadas, las

semillas fueron sembradas en bolsas de polietileno que contenían tierra y materia

orgánica. Las plantas se evaluaron a los 45 días en cuanto a los indicadores fisiológicos

siguientes: altura, número de hojas y número de ramas. Las variables estudiadas fueron

fotosensibles a la radiación láser. En cuanto a la altura, se manifestó la mayor

estimulación cuando las semillas se sometieron a 20 s de radiación láser con un 10%

de humedad presentando un nivel de crecimiento del 33.3% por encima del control. En

cuanto al número de hojas, se obtuvo un máximo de 13% por encima del control para

18

las semillas con 20 s de exposición y 10% de humedad, por lo que mantuvo una

correspondencia con la altura de las plantas. Para este mismo contenido de humedad

se presentó una inhibición de este índice cuando se irradió durante 10, 15 y 20 min, al

igual que en la altura. La máxima estimulación para el número de ramas fue del 31.1 %

con respecto al control y se obtuvo para una humedad del 10 % y un tiempo de

exposición de 25 s. Para un tiempo de 15 s de irradiación y para 10,15 y 20 minutos, en

sentido general, se notó una inhibición con respecto al control.

En 2007, Zong-Bo Qiua y Xiao Liua [8], con el objetivo de determinar la

resistencia en semillas de trigo en temporada de sequia se investigó la influencia de un

láser se CO2 en el pre-tratamiento de la semilla de trigo del tipo “Triticum Aestivum L”.

Los embriones fueron expuestos al láser de CO2 en tiempos de 3 y 5 minutos

respectivamente, además de un control (semillas sin radiar). Después de doce días las

semillas fueron tratadas con una solución especial (PEG6000) por diez días. Esta

investigación muestra que la radiación con laser de CO2 produce aumentos de entre el

5-16% en las concentraciones de, H2O2 (Peróxido Hidrógeno), GSSG (glutathione

oxidized), O2- (Oxigeno). En la hoja se encontró un incremento en la concentración de

caroteno, enzimas y compuestos antioxidantes, los cuales son los encargados de

aumentar la resistencia de la planta. También se midieron parámetros físicos como la

longitud de la hoja y peso seco, obteniendo resultados de estimulación de hasta el 18%

mayor con respecto al control. En este trabajo no se especificó la longitud de onda del

láser empleado.

En 2008, los investigadores Abdelghafar M. Abu-Elsaoud y Sultan T.

Tuleukhanov [9], estudiaron la influencia de láser infrarrojo en cuatro tipos de trigo

encontrados en Kazajstán: Akcay, Kazakhstanskaya-10, Eretrospermum-350 y Egipto

(Sakha-168), con el fin de mejorar su porcentaje de germinación. Las semillas fueron

tratadas con láser 632.8 nm, potencia de 5.23 mW y tiempos de 0, 1,3, 10, 30, 60, 180,

1200 y 1800s. La germinación de las semillas fue medida a los 3, 5 y 7 días posteriores

a la siembra. Los estudios mostraron niveles de estimulación positiva después de 3 días

19

de germinación, existiendo un incremento con respecto al nivel de control más

significativo para el tipo Akcay, después de haber sido expuesto a una radiación láser

durante 20 min. La estimulación en el crecimiento fue del 93.3% con respecto al control.

Se encontró también que para un tiempo de 30 s se obtuvo una inhibición general para

los cuatro tipos de trigo obteniendo un mínimo porcentaje de germinación del 6.7% en el

trigo Shakha-168. Para las semillas medidas después de 5 días, el porcentaje de

germinación para el tipo Akcay aumento en 96.7% para 20 min. con respecto al control.

Para el caso de las semillas medidas después de 7 días, los resultados fueron un

incremento de 100% en el tipo Akcay, Kazakhstanskaya-10, Eretrospermum-350

expuestas a radiación láser durante 3 min. con respecto al control. Para un tiempo de

30s se obtuvo inhibición en la germinación en los cuatro tipos de trigo con un porcentaje

mínimo del 16.7% para Shakha-168 con respecto al nivel de control. El presente trabajo

menciona que se trabajó en una longitud de onda infrarroja cuando lo que se observa

en la parte experimental es una longitud de onda que corresponde al espectro rojo de la

luz. De igual forma no se especifica de forma precisa la forma ni las condiciones bajo

las cuales se obtuvo este nivel tan alto de germinación.

Los trabajos anteriores [2-18] demuestran que en la actualidad se ha dado

mayor importancia a este tipo de investigaciones por la necesidad que se vive a nivel

mundial para mantener una agricultura sustentable, aunque estos trabajos varían en

métodos, en tipos de láseres y semillas, afirman que la bioestimulación con láser antes

de la siembra favorece los procesos fisiológicos de las semillas y en consecuencia el

establecimiento de los cultivos, siendo importante definir los parámetros de radiación

adecuados para producir efectos favorables en las semillas de cada especie.

Convirtiendo al dispositivo láser como bioestimulador en una alternativa viable que

demuestra mejorar la calidad de la semilla.

20

1.3 Fitocromos

Para las plantas, la luz es posiblemente el parámetro ambiental más importante,

ya que pueden monitorear la presencia, ausencia, calidad espectral, intensidad,

direccionalidad y duración diurna de las señales de luz incidentes para modular su

desarrollo y crecimiento [19]. De acuerdo al estudio bibliográfico [3-9], las bandas del

espectro óptico que tienen mayor acción sobre la germinación de semillas corresponden

a la franja de rojo e infrarrojo, ambos tipos de luz son absorbidos por un compuesto

denominado fitocromo, que es una cromoproteína que actúa como sensor, el cual

consiste de dos partes: un polipéptido y un cromóforo, que absorbe la luz de longitudes

de onda específicas. Existen dos tipos de fitocromos, Pr y Pfr. Pr es biológicamente

inactiva y hasta la absorción de fotones rojos es convertida a Pfr, que es la forma activa.

La conversión del fitocromo inactivo (Pr) a fitocromo activo (Pfr) por lo general se lleva a

cabo bajo el efecto de la luz roja, y la reacción opuesta ocurre bajo el efecto de la luz

infrarroja. Esta reacción de conversión en ambos sentidos está relacionada con la

estimulación y la inhibición de la germinación, y puede ser modificada o controlada por

otros factores ambientales como la temperatura.

El fitocromo Pr absorbe luz roja más eficientemente, ya que a esta longitud de onda

conduce a la conversión de una mayor proporción de moléculas de la forma Pfr y, por lo

tanto, se induce la germinación. Cuando la forma Pfr absorbe luz roja lejana

prácticamente todas las moléculas vuelven a la forma Pr, anulando así el efecto de la

primer absorción de luz roja [19].

En la Figura 1.1 se observa el espectro de absorción de las dos formas del fitocromo: Pr

y Pfr, también se puede notar que existen intersecciones en la gráfica, lo que significa

que la forma activa Pfr coexiste siempre con la inactiva Pr en un fotoequilibrio que se

establece en función de la proporción relativa de luz roja e infrarroja de la radiación

incidente [19].

21

Figura 1.1 Espectro de absorción de los fitocromos [19].

1.4 Factores Importantes que Intervienen en el Proceso de Bioestimulación

La respuesta de crecimiento y germinación de estimulación e inhibición de un

objeto biológico está en función de diversos parámetros, algunos de los más

importantes son: la longitud de onda del láser (nm), la intensidad de la luz (W/cm2), el

tiempo de radiación (s) y del tipo de luz, es decir, si es luz continúa o pulsada [20].

Existe otro factor compuesto importante que es la dosis que se aplica al objeto

biológico, el cual se determina para el caso de luz continua como:

⋅=

2cm

JtID (1.1)

Donde:

D = Dosis de energía por cm2 [ 2/ cmJ ]

I = Intensidad de radiación por cm2 [ 2/ cmW ]

t = Tiempo de radiación [s]

22

En la figura 1.2 se muestra que la longitud de onda es un parámetro importante para

obtener respuestas de bioestimulación. En el eje “x” se encuentra el valor de la longitud

de onda y en el eje “y” el crecimiento de las bacterias de E.coli (“Escherichia coli” ) [20].

El valor de 1.0 corresponde al nivel de control, es decir, de semillas sin radiar. Se

observa que con un valor de longitud de onda de 450 nm y una dosis de 4x103 J/cm2 se

tiene una estimulación en el crecimiento de las bacterias del 50% con respecto al nivel

de control. Posteriormente, se observan estimulaciones positivas importantes en 560

nm y 630 nm para la misma dosis. Además se ve que para la región infrarroja la

amplitud de la respuesta comienza a incrementarse paulatinamente suponiendo una

estimulación máxima en alguna región del infrarrojo, esto es por arriba de una longitud

de onda λ = 750 nm.

Figura 1.2 Efectos de bioestimulación en función de la longitud de onda para un cultivo de E.coli cuando

la intensidad y el tiempo son constantes y la longitud de onda varia [20].

23

En la figura 1.3 se muestra la importancia de la intensidad y el tiempo de exposición a la

radiación láser como parámetros de bioestimulación. El cultivo fue radiado a tres

diferentes intensidades (1) 3x103 W/m2, (2) 1.57x102 W/m2 y (3) 60 W/m2 usando un

láser con una longitud de onda de 632.8 nm y diferentes tiempos de exposición [11].

Los niveles máximos de crecimiento de las bacterias de E. Coli se obtuvieron para la

intensidad 1 a un tiempo de exposición de 0.05 s con un incremento positivo del 120%

con respecto al control. Para la intensidad 2 se observa para un tiempo de 0.5 s un

incremento en la respuesta de estimulación del 119%. En cuanto a la intensidad 3 se

obtuvo un crecimiento máximo del 120% en el desarrollo de bacterias de E. Coli para un

tiempo de 1 s. Se observa para las tres intensidades y un tiempo de 100 s un nivel de

estimulo importante para la intensidad 1 del 118% y para la intensidad 2 del 76%,

mientras que para la intensidad 3 aumento solo un 58%.

Figura 1.3 Efectos de la bioestimulación en función del tiempo de irradiación en el crecimiento de

bacterias de E.coli [20].

24

Figura 1. 4 Efectos de la bioestimulación en función de distintas longitudes de onda e intensidades en el

crecimiento de bacterias de E.coli [20].

La figura 1.4 muestra la importancia de la longitud de onda y la dosis aplicada en la

bioestimulación de parámetros fisiológicos, ya que la respuesta de estimulación y

crecimiento de bacterias de E. coli depende de la combinación correcta de estos

parámetros. Se observa una máxima estimulación del 95% con respecto al control

cuando en el cultivo de E.coli se radía con una intensidad de 60 W/m2 y una longitud de

onda de 750 nm; para la misma intensidad y una longitud de onda a 560 nm se obtiene

una respuesta al estimulo menor (78%), ya que no solo influyó el cambio de longitud de

onda, además existió una variación en el tiempo de exposición de la radiación láser

(dosis). Otro efecto importante se observa cuando se combinan las longitudes de onda

de 632 nm y 454 nm con una intensidad de 100 W/m2 para un mismo tiempo de

exposición de la radiación láser; se obtienen mejores resultados para la longitud de

onda de 632 nm (77%) que para 452 nm (44%).

25

Finalmente, se puede resumir de las investigaciones estudiadas [2-18] que la respuesta

de estimulación presenta tres características principales las cuales se muestran en el

diagrama 1.5 y se describen a continuación.

Magnitud de la respuesta

Activación por estimulación óptima

Disparo Nivel de control Inhibición Magnitud del estímulo

Figura 1. 5 Respuesta de estimulación para los sistemas biológicos.

1. El comportamiento de la amplitud de la respuesta al estimulo del objeto biológico

se puede activar o inhibir al variar cualquiera de los parámetros de radiación

antes mencionados (longitud de onda, intensidad y tiempo de exposición).

2. En las curvas de la respuesta de estimulación tienen normalmente un nivel de

control (objetos biológicos que no se expusieron a radiación láser). El control nos

permite comparar y normalizar las respuestas de estimulación de los objetos

biológicos.

3. En las curvas de la respuesta de estimulación es posible encontrar valores

máximos que representan la activación de la respuesta del objeto biológico y

valores mínimos que representan inhibición.

26

CAPITULO 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL LÁSER DE DIODO

2.1 Introducción

La palabra láser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation (Emisión de luz por emisión estimulada de radiación) y presenta

características especiales que la hacen diferente a cualquier otro tipo de luz. Debido a

estas características la principal utilidad práctica de la radiación con luz láser reside en

que concentra un gran número de fotones por unidad de superficie, por lo que si se

dirige o enfoca sobre un objeto, el haz láser será parcialmente absorbido lo que causa

una estimulación en su interior.

En el presente capítulo se presentan las características básicas de la luz láser,

posteriormente se muestra la estructura básica de un láser para finalmente

particularizar en las características principales ópticas y eléctricas del láser de diodo.

2.2 Propiedades Básicas de la Luz Láser

La energía generada por un láser está dentro de la porción óptica del espectro

electromagnético. Del esquema de la figura 2.1 se observa que el intervalo de luz

detectable por el ojo humano se encuentra en un intervalo de aproximadamente 0.4µm

a 0.7µm, la región ultravioleta abarca longitudes de onda de 0.01µm a 0.4µm. y la

región del infrarrojo se encuentra entre las longitudes de onda de 0.7µm a 1000µm [21].

.

27

Figura 2.1 Esquema del espectro electromagnético desde la región del ultravioleta hasta el infrarrojo [21].

Un dispositivo láser produce un haz intenso de radiación óptica (o de luz) con

características que la distinguen de otros tipos de fuentes luminosas, estas

características son [22]:

• Monocromaticidad: todos sus fotones emitidos tienen casi igual longitud de onda.

• Coherencia: todos los fotones emitidos se encuentran en fase.

• Direccionalidad: el haz de radiación presenta escasa divergencia.

Además, existen cuatro procesos básicos que se producen en la generación de luz

láser, bombeo, absorción, emisión espontanea y emisión estimulada [23]:

a) Bombeo

Es el paso de una corriente eléctrica o el uso de cualquier otro tipo de energía, que da

lugar a la transición energética de los electrones de los átomos o moléculas a un estado

de excitación

28

b) Absorción

Proceso mediante el cual un átomo o molécula absorbe un fotón. El sistema atómico se

excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado base, es decir,

E1 corresponde al nivel de energía en estado base y E2 al nivel de energía en estado

excitado. A temperatura ambiente muchos de los átomos se encuentran en estado

base, esta situación cambia cuando un fotón de energía igual a hν12 = E2 – E1 afecta al

sistema. El átomo en estado base E1 absorbe el fotón y viaja al estado excitado E2 de

acuerdo a la figura 2.2 [23].

E2

hν12

E1

Figura 2.2 Proceso de Absorción.

c) Emisión Espontánea

El estado excitado en un átomo es inestable, es decir, después de un lapso corto de

tiempo sin ningún estimulo externo se presenta una transición del estado excitado al

estado base, liberando en este proceso un fotón de energía igual a hν12 en dirección

libre, este proceso es llamado emisión espontánea (figura 2.3) [23].

E2

hν12

E1

Figura 2.3 Emisión espontánea.

29

d) Emisión Estimulada

El efecto físico que permite la obtención de un haz con características de

monocromaticidad y direccionalidad es la emisión estimulada la cual se presenta

cuando un fotón de energía hν12 afecta a un átomo mientras se encuentra en estado

excitado, el átomo es estimulado a realizar una transición al estado base, liberando un

fotón de energía hν12 el cual se encuentra en fase con la radiación incidente, como lo

muestra el esquema de la figura 2.4 [23].

E2

hν12 hν12

E1 hν12

Figura 2.4 Emisión estimulada.

2.2.1 Estructura Básica de un Láser.

La estructura principal de un láser [24-25], consta del medio activo, los espejos

que forman el resonador láser y el sistema de bombeo. En la Figura 2.5 se muestra la

cavidad amplificadora con un sistema de bombeo y un par de espejos planos (o

ligeramente cóncavos) en sus extremos. La línea punteada indica el eje óptico del

sistema.

El par de espejos paralelos recibe el nombre de resonador óptico. Uno de los

espejos del resonador es casi 100% reflejante y el otro tiene una reflectancia típica de

90%.

30

En la figura 2.5 se muestra un esquema de la función del resonador óptico,

inmediatamente después de que el sistema de bombeo fue disparado. Cualquier fotón

que sea emitido en una dirección diferente a la definida por el eje óptico del resonador

se perderá, mientras que cualquier fotón emitido a lo largo del eje óptico del oscilador

será amplificado por el proceso de emisión estimulada e inmediatamente se generará

un enorme flujo de fotones confinados en el resonador que se propaga a lo largo del eje

óptico. Si el resonador óptico no estuviera presente, después de disparar el sistema de

bombeo, los átomos o moléculas que fueron excitados pasarían a su estado base

debido al proceso de emisión espontánea, emitiendo fotones en todas direcciones y

perdiendo la energía recibida.

Figura 2. 5 Componentes principales del láser.

El resonador óptico permite extraer en forma eficiente la energía que el sistema de

bombeo deposita en los átomos o moléculas contenidos en la cavidad amplificadora.

Debido a que uno de los espejos del resonador tiene una reflectancia del 90%, el 10%

de los fotones que incidan en él son transmitidos fuera del resonador óptico, formando

un haz de luz muy intenso con las características mencionadas anteriormente:

monocromático, coherente y altamente direccional.

31

2.3 Láser de Diodo

2.3.1 Ventajas y desventajas del láser de diodo

El láser de diodo o láser semiconductor presentan ventajas importantes con

respecto a otros tipos de láseres. Las principales ventajas del láser de diodo son:

• Los láseres de diodo son más pequeños.

• Se puede modular fácilmente a altas frecuencias controlando la corriente de

polarización.

• Eficientes, robustos y presentan un rendimiento alto (más del 20% de la energía

suministrada es emitida como radiación láser)

• Tiempo de vida largo (se estima que más de 20000 horas de operación

continúa).

• Bajo costo, ya que los láseres de diodo suelen fabricarse utilizando técnicas de

producción a gran escala.

• En cuanto a las especificaciones electrónicas presentan bajos requisitos de

corriente de umbral y voltaje.

Teniendo como desventaja:

• Alta sensibilidad a los cambios de temperatura.

• El haz láser es astigmático, es decir, presentan una coherencia y un nivel de

monocromaticidad inferior a otros láseres debido al pequeño tamaño de su

cavidad resonante.

32

2.3.2 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo

La mayoría de los láseres de diodo son fabricados con mezclas de materiales

semiconductores (tabla 2.1) de los grupos III-V de la tabla periódica [26].

Tabla 2.1 Materiales semiconductores usados para fabricar láseres de diodo. Compuesto Longitud de onda

λ (nm)

Compuesto Longitud de onda

λ (nm)

InGaN 390-420 GaAs/GaAs (puro) 904

GaN 417 GaAs 905, 940

AlGaAs 428 In0.2Ga0.8As 980 - 1050

ZnSSe 463,510,520 In1-xGaxAsyP1-y 1100 - 1650

ZnCdSe 490 - 525 InGaAsP/InP 1100 - 2100

AlGaInP/GaAs 610 – 690, 1300 In0.73Ga0.27As0.58P0.42 1310

AlxGa1-xAs 620 - 895 In0.58Ga0.42As0.9P0.1 1550

AlGaInP 630 - 680 InGaAsSb 1700 - 4400

Ga0.5In0.5P/GaAs 670 - 686 PbCdS 2700 - 4200

InGaAsP/GaAs 680 - 880 PbEuSeTe 3300 – 5800

AlGaAs 730,780,830,855,880 PbSSe 4200 - 8000

AlGaAs/GaAs 750-880 PbSnTe 5500 - 30000

InGaAs/GaAs 880 - 1100 PbSnSe 8000 - 30000

33

2.3.3 Homoestructruras y Heteroestructuras en un láser de diodo

Los primeros láseres de diodo constaban simplemente de una homounión, es

decir, en ellos la unión laser se formaba con las regiones del tipo p y n del mismo

material (normalmente GaAs). A esta unión se fijaban dos láminas paralelas entre sí y

perpendiculares a la unión (figura 2.6a).

(a) (b)

Figura 2. 6 (a) Estructura Láser Homounión (b) Estructura Láser Heterounión

En el caso de láseres con heterounión, la capa activa se encuentra situada entre dos

capas de diferente composición química, usualmente GaAs y GaAIAs, que tienen

diferentes bandas prohibidas (figura 2.6b). Esto permite que entre los materiales PN se

genere una barrera de potencial mayor comparada con los diodos homoestructura,

incrementando de esta forma la acumulación de cargas en esta barrera para la

producción de una región de inversión que disminuirá la corriente de umbral para la

operación del láser de diodo y que se explica con más detalle más adelante. Los

láseres de heterouniones son muy usados en modo pulsado para producir altas

potencias de pico.

34

2.3.4 Características eléctricas y ópticas de un láser de diodo a considerar en el diseño del controlador y fuente de alimentación

2.3.4.1 Parámetros a considerar que pueden causar destrucción del láser

Para el diseño del controlador del láser de diodo es necesario tener en

consideración algunas características que no pueden ser excedidos ni siquiera

momentáneamente por ninguna condición externa, estos niveles se establecen a una

temperatura Tc = 25 °C. Estas características son [27-28]:

• Restricción de Corriente: El control de corriente a través del láser hace que su

manejo sea más confiable. La figura 2.7 muestra la gráfica de corriente directa (I)

contra potencia de salida (P), La curva divide la región A y B, en la zona A se

observa el comportamiento de un LED de baja intensidad y en la zona B una vez

alcanzada la corriente de umbral, se observa que la potencia de salida aumenta

rápidamente en función de la corriente que circula por el dispositivo. Se puede

notar que la Ith es el punto donde la línea recta que sigue la curva cruza en el eje

X y que la diferencia entre la corriente Ith y Iop es muy pequeña, además, la

corriente directa de operación no es mayor del 10% con respecto a la corriente

de directa de umbral [27-28].

Figura 2.7 Gráfica de potencia contra corriente en un diodo láser [27-28].

35

• Temperatura del Diodo (T): La característica de corriente de operación varía de

acuerdo a la temperatura (Figura 2.8). La corriente de umbral varía ampliamente

de un dispositivo a otro, y esta a su vez varia con respecto a la temperatura,

debido estas variaciones es posible observar que en algunos momentos el láser

operará por debajo de su corriente de umbral, lo que provocará que el láser no

funcione; en otros momentos se podrá observar que el láser funcionará por arriba

de la corriente máxima permitida, por lo que este se dañara dejando de funcionar

permanentemente [27].

Figura 2.8 Efectos de la temperatura sobre la corriente.

• Potencia de Salida Óptica (Po): Se refiere a la potencia máxima permitida a la

salida durante funcionamiento continuo.

• Voltaje Inverso (VR): Es el voltaje máximo permitido en polarización inversa

aplicado al dispositivo. Este valor es diferente para el diodo láser y un fotodiodo.

• Temperatura Ambiente de Operación (Topr): Este es la máxima temperatura

ambiente en la que el dispositivo puede operar.

• Temperatura Ambiente de Almacenamiento (Tstg): Se refiere a la máxima

temperatura en que el dispositivo puede ser almacenado.

36

La forma de obtener un funcionamiento adecuado del láser de diodo es incorporando el

uso de la corriente del fotodiodo, la cual presenta los siguientes beneficios [28]:

1) No varía significativamente con la temperatura.

2) Los fabricantes proporcionan hojas de datos indicando las condiciones de prueba

del dispositivo la cual permite establecer la corriente de operación para una

potencia de salida máxima.

3) Se puede ajustar.

Además se debe tener en consideración la posible generación de transitorios que

puedan dañar el dispositivo láser. [28]. Los transitorios ocurren cuando:

• El circuito de retroalimentación produce variaciones (o en el peor de los casos

oscila) haciendo que el circuito de control exceda de forma ocasional la corriente

máxima permitida.

• Existen transitorios provocados por encender o apagar el controlador.

• Se usa una base para el diodo láser, de esta forma la conexión del fotodiodo

será deficiente, por lo que el circuito de retroalimentación demandará una mayor

corriente haciendo que se exceda el nivel máximo corriente del diodo láser

destruyéndolo.

2.3.4.2 Parámetros Ópticos y Eléctricos de un Diodo Láser

Las características ópticas y eléctricas que presenta un láser de diodo y que se

deben considerar para el diseño de un controlador y fuente de alimentación son [28]:

A) Corriente de Umbral (Ith): Como se explicó anteriormente se refiere a la corriente

que hace que funcione el láser y se debe tener en cuenta ya que potencia del

láser aumenta rápidamente una vez superada la corriente de umbral y su valor

37

es pequeño con respecto a la corriente pico de operación además de que varía

ampliamente dependiendo del dispositivo que se utilice.

B) Potencia Óptica de Salida (Po): Se refiere a la potencia óptica recomendada

durante funcionamiento continuo.

C) Corriente de Operación (Iop): Es la corriente en dirección directa que es requerida

para generar el nivel establecido de potencia óptica de salida.

D) Corriente Monitor (Im): Es la corriente de salida del fotodiodo para generar

potencia óptica de salida.

E) Longitud de Onda de Emisión (λ): Es la longitud de onda máxima para una

potencia óptica de salida establecida.

F) Divergencia del Haz; Paralelo (θ||) y Perpendicular (θ⊥ ): La radiación de luz de

un láser de diodo diverge como se muestra en la figura 2.9. Cuando la

distribución de luz se mide en las direcciones del eje paralelo (eje X) y

perpendicular (eje Y) con respecto a la superficie de la unión PN en un láser, la

divergencia del haz definida como θ|| y θ⊥ se obtiene a la mitad de la intensidad

pico de la distribución de la luz.

Figura 2.9 Divergencia del Haz en un Diodo Láser [20].

38

G) Astigmatismo (As): Se refiere al desplazamiento la posición focal visto en la

dirección paralela y perpendicular a la unión PN de la superficie del laser como

se muestra en la figura 2.10

Figura 2.10 Astigmatismo del Haz en un Diodo Láser [20].

2.4 Diferencia entre luz continua y pulsada

La luz pulsada a diferencia de la luz continua de igual longitud de onda presenta

parámetros adicionales distintos [20], estas diferencias se muestran en la figura 2.11.

Figura 2.11 Comparación de Luz Pulsada con Luz Continua [20].

39

De la figura 2.11 se observa que la luz pulsada puede tener diferentes ciclos útiles

como lo muestra la figura (A y C), es decir, el periodo de pulso puede ser distinto al

periodo de oscuridad. Para nuestro caso son del mismo valor.

Los parámetros que diferencian luz pulsada de luz continua que aparecen en la figura

anterior se explican en la tabla 2.2 [20]:

Tabla 2.2 Parámetros de la luz láser pulsada. Parámetro Descripción

τpulso Periodo o Duración del pulso

Τosc Periodo de oscuridad entre los pulsos

T Duración de un ciclo completo

τ/T Ciclo útil, es decir, una porción del periodo completo

1/T Frecuencia de pulsación

Ip Intensidad Pico

Iav Intensidad Promedio

40

CAPÍTULO 3. EQUIPO DE FOTOBIOESTIMULACIÓN

3.1 Introducción

La primer parte de este capítulo está centrada en el diseño del sistema de

alimentación y control de los tiempos de radiación y frecuencia para un diodo láser de

pulsos, basándose en las características mencionadas en el capítulo 2 y en las

propiedades eléctricas y ópticas del láser de diodo dadas por el fabricante. En la

segunda parte de este capítulo se describe la medición de las características de ancho

de pulso, frecuencia, energía y patrón de radiación del láser de diodo para determinar

las características exactas de radiación con las que se estará tratando al objeto

biológico.

3.2 Fuente de Alimentación y Control del Láser de Diodo Pulsado

En base a las propiedades ópticas y eléctricas que se describen a continuación

se realizó el diseño de la fuente de alimentación y el controlador.

3.2.1 Características Ópticas y Eléctricas del Diodo Láser utilizado

El láser de diodo utilizado fue el Roithner LaserTechnik PLD904-6-MG, las

características ópticas y eléctricas según el fabricante a una temperatura ambiente de

25°C y 1KHz [29] se muestran en la tabla 3.1, donde se observa que se trata de un

láser infrarrojo de alta potencia óptica pico que genera pulsos ultracortos:

41

Tabla 3.1 Características ópticas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia de 1KHz [29].

Descripción

Símbolo

Mínimo

Típico

Máximo

Longitud de Onda (nm)

λp

890

904

920

Área de Emisión (µm)

Ae

-

75x1

-

Divergencia del Haz || (°)

Θ

-

10

-

Divergencia del Haz ⊥ (°)

Θ

25

30

40

Frecuencia (Hz)

F

3

-

2000

Ciclo Útil (ns)

Dc

-

200

-

Potencia Óptica Pico (W)

Po

-

-

6

Las propiedades eléctricas del láser empleado se muestran en la tabla 3.2:

Tabla 3.2 Características eléctricas del diodo láser para una temperatura ambiente de 25ºC y frecuencia

de 1KHz [29].

Descripción

Símbolo

Mínimo

Típico

Máximo Corriente de umbral (mA)

Ith

120

160

200

Corriente Pico de Operación (mA)

Iop

-

-

5

Voltaje Pico de Operación (V)

Vop

-

5

6

Temperatura de almacenamiento (°C)

Tstg

-30

-

70

Temperatura de Operación (°C)

Top

-60

-

85

42

3.2.2 Fuentes de alimentación de voltaje y corriente

Los requerimientos que se siguen para el diseño de la fuente de alimentación

como ya se mencionaron en el capítulo 2 son principalmente que el diodo láser opere

por arriba de la corriente de umbral y por debajo de la corriente máxima permitida,

además es necesario evitar picos de corriente o transitorios que puedan dañar el láser

de diodo [28].

Siguiendo estas características, la fuente de alimentación consta de dos etapas, la

primera es un regulador de voltaje con circuito de protección y encendido lento para

evitar transitorios en la fuente de alimentación y la segunda parte consta de un

regulador de corriente con limitación de corriente.

3.2.2.1 Fuente de Voltaje

Se eligió el regulador LM317, el cual es un regulador positivo de voltaje capaz de

suministrar 1.5 A, el intervalo de la tensión de salida puede variar entre 1.25 y 37V,

puesto que la máxima tensión que puede soportar entre entrada y salida es de 40V. El

circuito LM317 tiene una protección interna contra excesos de temperatura y circuitos

internos que limitan la corriente. El regulador LM317 configurado como regulador de

voltaje es [30]:

Vout

R2

2

1

Vout

0

R1

2

1

LM317/TO

2 3

1

VIN VOUT

ADJ

Vin

Figura 3.1 Regulador LM317 configurado como fuente de voltaje.

43

Aunque el regulador LM317 lleva protección interna como se comentó anteriormente, se

recomienda además de una protección externa; se colocó un condensador en la

terminal de entrada al regulador, con el objetivo de reducir efectos inductivos en los

cables y se colocaron condensadores en cada terminal del regulador para mejorar la

respuesta transitoria, igualmente se colocó un diodo “shunt” de protección frente a

corrientes de polarización inversas [31]. El regulador de voltaje con circuito de

protección usa el arreglo de la figura 3.2 [31]:

Vin

D1

Vout

0

C1 C3

LM317/TO

2 3

1

VIN VOUT

ADJ

R2

2

1

R1

2

1

C2

Figura 3.2 Fuente de Voltaje con circuito de protección [31].

Proponiendo los siguientes valores de acuerdo a las especificaciones eléctricas del

láser, tenemos [30]:

21

2125.1 RIRR

V Adjout +

+= [V] (3.1)

Donde:

R1 = 220Ω

IAdj = 100µA

Vout = 5V

44

Calculando y despejando el valor de R2:

= 861Ω ≈ 820Ω (3.2)

R2= 820Ω

Para la etapa de encendido lento se propone la configuración del circuito del regulador

de voltaje anterior con el objetivo de evitar transitorios al encender la fuente de

alimentación, el diagrama eléctrico se muestra en la figura 3.3 [31]:

D1

0

R2

50k

21

R1220

2

1

LM317/TO

2 3

1

VIN VOUT

ADJ

+

25u2N2905R2

C10.1u

0

Vout

Figura 3.3 Fuente de Voltaje con encendido lento [31].

3.2.2.2 Fuente de corriente

La segunda etapa consta de un circuito para incrementar la corriente con limitación de

la misma [31]. Este circuito al igual que para el caso anterior usa el circuito LM317

aprovechando la propiedad de mantener constante la tensión entre la terminal de salida

Vout y la terminal VAdj, si se coloca un resistor fijo entre ambas terminales la corriente de

salida también quedara fija, por lo tanto se comportará como una fuente de corriente

Adj

out

IR

V

R+

−=

1

2 1

125.1

45

constante. En la figura 3.4 se muestra al regulador LM317 configurado como fuente de

corriente [31]:

0

R1

2

1

LM317/TO

2 3

1

VIN VOUT

ADJ

Iout

Vin

Vout

0.33uC

Figura 3.4 Regulador LM317 configurado como fuente de corriente.

La corriente se limitará hasta un máximo de 205mA, ya que es el valor de la corriente

máxima que es posible suministrar al diodo láser antes de que este se destruya. Los

valores propuestos para el diseño de la fuente de corriente son:

Adjref

out IR

VI +

=

1 (3.3)

Donde:

Vref = 1.25

IAdj = 100µA

Iout= 205mA

Despejando y Calculando el valor de R1:

Adjout

refII

VR

−=1 (3.4)

AmAR

µ10020525.1

1−

= = 6.10Ω ≈ 6.8Ω

46

R1 = 6.8 Ω

Aunque el regulador LM317 tiene protección interna contra excesos de corriente, en

muchas ocasiones puede suceder que se demande una corriente mayor en casos en

que la carga disminuya implicando que la corriente aumente drásticamente y que

provoque la destrucción del láser [30], para poder aumentar la corriente y proteger

nuestro dispositivo láser se propone conectar a la fuente de corriente un transistor de

potencia (Q1), como lo muestra la figura 3.5, además se agrega un resistor Rd que

detecta y fija la máxima corriente que circula por el regulador [30].

Cuando la tensión en las terminales del resistor Rd es menor que 0.6V, el transistor Q1

estará en corte, manteniendo la tensión de salida constante y pasando toda la corriente

que llega a la carga a través del regulador.

Cuando la tensión en Rd supera los 0.6 V, el transistor entra en conducción, de forma tal

que la corriente extra que le llega a la carga pasará directamente por el transistor

externo Q2.

Para limitar la corriente y proteger el transistor Q1, se agrega además un transistor Q2 y

un resistor Rsc que permiten limitar la corriente. El transistor Q2 estará en corte hasta

que la corriente de carga sea muy grande de manera que la tensión que pasa por Rsc

alcance los 0.6 V, en este caso entrará en conducción y le restará corriente al transistor

Q1, llegando al estado de corte. Esto provoca que la tensión de Rsc sea menor a 0.6V lo

que implica que Q1 vuelva a conducir, alcanzando un nivel de equilibrio entre ambos

transistores, fijando la corriente de salida Iout en la máxima establecida.

47

Los valores propuestos para la configuración del circuito para incrementar y limitar la

corriente son, suponiendo que la corriente máxima que podría pasar por el transistor es

ITmax [24]:

ITmax = 2 A

Iout = 205mA

Para calcular el valor de de RSC se toma se considera la condición máxima de corriente

ITmax = 2 A que pasa por el transistor Q1 y tomando el valor de VBE = 0.7 V:

maxT

BEsc I

VR = (3.5)

27.0

=scR = 0.35Ω

Rsc = 0.35Ω

Para calcular de Rd el transistor Q1 debe ponerse en conducción para proteger el

transistor Q2. Cumpliéndose la condición ITmax Rsc = 0.7 V y teniendo una β medida de

50 para el transistor Q2:

2

21

Q

Tout

BEQBEQd I

I

VVR

β−

+= = 8.48Ω = 8.2Ω (3.6)

Rd = 8.2Ω

La figura 3.5 muestra el diagrama eléctrico del circuito para incrementar corriente con

limitación de corriente [31].

48

Rsc

2 1

Q1

LM317/TO

2 3

1

VIN VOUT

ADJ

Rd2 1

Iout

8.2

Q2

0.35

Figura 3.5 Fuente para incrementar corriente con limitación de corriente.

Para la elección de los transistores se considero que puedan soportar la máxima

potencia en el caso más desfavorable, circulando una corriente máxima limitada por Q2

de 2 A. El transistor seleccionado fue el MJ2955 (βmin>60; VEC=70V; IC=15A; P=150W)

[32].

3.2.2.3 Circuito Propuesto de Fuentes de Alimentación

El diseño completo de la fuente regulada del diodo láser con limitación de

corriente a 2 A se muestra en la figura 3.6.

R3

2 1

LM317/TO

2 3

1

VIN VOUT

ADJ

8.2

1k

R1

2

1

R2 50k

3.3uF/60V

0

100uF/60V

C2C3

Q1MJ2955

220

Q1MJ2965

Rd

2 1

2N2905

Rsc

2 1

0.35

C1

15000u/60V

D1

Figura 3.6 Fuente de alimentación de tensión ajustable y encendido lento con circuito para incrementar la corriente y limitación de corriente.

49

Todos los cálculos realizados anteriormente sobre el circuito de encendido lento y para

incrementar y limitar corriente fueron validos en el diseño de la figura 3.6.

3.2.3 Circuito de Control de Láser Pulsado

El controlador del láser pulsado es distinto a la de un láser de onda continua ya

que se requiere de una etapa de modulación de frecuencia [32].

El controlador propuesto usa el PIC18F454 para la selección de los tiempos de

radiación de los objetos biológicos y selección de la frecuencia de modulación.

Posteriormente se utiliza un circuito de retroalimentación por fotodiodo para monitorear

y controlar la corriente que entra en el láser de diodo.

3.2.3.1 Características básicas del PIC18F452

Como se mencionó anteriormente se utilizó el PIC18F452 de la familia de

Microchip debido a la disponibilidad en el mercado y al conocimiento en el manejo del

mismo. El PIC18F452 nos permite programar todos los tiempos de radiación de los

objetos biológicos y la frecuencia de modulación del láser necesaria para la aplicación a

desarrollar al ser un circuito altamente integrado. Las características principales del

PIC18F452 son [33]:

• Presenta 4 puertos que pueden funcionar como puertos de entrada y salida.

• Memoria interna de programa de 32k.

• Memoria RAM de 512 Bytes expandible hasta 1535 bytes.

50

• Frecuencia máxima de operación de 10MHz.

• Convertidor analógico a digital de 8 canales de 10 Bits cada uno.

En la figura 3.7 se muestra una imagen de las terminales del microcontrolador [33].

Figura 3.7 Diagrama de terminales del PIC18F452 [33].

3.2.3.2 Configuración y funcionamiento del sistema de control.

La frecuencia del reloj empleada se fijo en 455KHz ya que es la frecuencia

mínima a la que puede oscilar el PIC18F52 [26] en modo cristal (XT), es importante

determinar el valor del cristal antes de proponer el arreglo del PIC, ya que de la

frecuencia del PIC dependen los valores de los capacitores.

Los capacitores recomendados según las hojas de especificaciones para un cristal de

455KHz es: C1 y C2 = 68-100µF [33].

51

100KU3

12

470

SALIDAVCC(TIEMPO)U2

12

DB4GND1

5V

2

455kHzU7

12

DB7

100K

5V

E

U1

12

100K

U6

12

14

10

5V

RS

100K

GND2

VCC

U5

12

0

13

100K

U4

12

0

PIC18F452

38

444342414039

2930313233343536

1920212223242526

15141312111098

432

7

37

1

1617

OSC2/CLKOUT

RA0/INTRA1/T0CLKRA2RA3RA4/RX/DTRA5/TX/CK

RB0/CAP1RB1/CAP2RB2/PWM1RB3/PWM2RB4/TCLK12RB5/TCLK3RB6RB7

RC0/AD0RC1/AD1RC2/AD2RC3/AD3RC4/AD4RC5/AD5RC6/AD6RC7/AD7

RD0/AD8RD1/AD9RD2/AD10RD3/AD11RD4/AD12RD5/AD13RD6/AD14RD7/AD15

RE0/ALERE1/OERE2/WR

MCLR/VPP

OSC1/CLK

TEST

VDDVDD

0

5V

3

0

VEE

1u

4

0

5V

12

0

DB6

10K

100K

0

SALIDA MOD(FREC)

60p

100K

DB3

5

5V

R/W

SW1

60p

DB5

0

LCD

300

0

6

0.1u

11

100K

0

10K

1

En la figura 3.8 se muestra la configuración externa del PIC18F452 para selección de cinco tiempos de radiación

pensando en la aplicación de radiación láser en sistemas agrícolas fueron de: 15s, 30s, 60s, 120s y 240s y dos

frecuencias, una de 10Hz para medición de energía posterior y 1500Hz para realizar pruebas de radiación.

Figura 3.8 Diagrama de conexiones del controlador para tiempos de radiación y frecuenci

52

Del diagrama anterior se observa que se designaron las terminales RA0-RA4 para

selección de tiempos de radiación, y RB0-RB1 para seleccionar la frecuencia. La señal

de salida de los tiempos de radiación etiquetada como “VCC” se encuentra en la

terminal RC0 y la señal de salida de frecuencia etiquetada como “MOD” se encuentra

en la terminal RC1, además se agregó una LCD para observar el tiempo y la frecuencia

seleccionada.

Para generar las rutinas de tiempos de radiación y frecuencia de modulación en el

microcontrolador se consideró el tiempo de ejecución de cada instrucción, que está

dado por la siguiente ecuación [26]:

(3.7)

Donde:

C = numero de ciclos que dura la instrucción.

f = frecuencia del cristal.

El funcionamiento del controlador es el siguiente:

1) Al seleccionar un tiempo de radiación de los cinco programados mediante los

interruptores U1-U5 correspondientes a 15, 30, 60, 120, 240s respectivamente y

alguna de las frecuencias correspondientes a los interruptores U6 = 1500Hz y U7

= 10Hz, el puerto RA saltara a una rutina de tiempo para comenzar con la

cuenta del proceso de radiación, mientras que la terminal RC0 mantendrá

encendida la fuente de alimentación. Al mismo tiempo, el puerto RB estará

enviando la señal de frecuencia seleccionada hacia la terminal PWM del

microcontrolador.

67912.84 −×=

×= C

fC

t inst

50

La figura 3.9 muestra la señal de salida generada por el controlador para los diferentes

tiempos de radiación y una frecuencia de 1500 Hz.

Figura 3. 9 Señal generada por el controlador para cinco tiempos de radiación y una frecuencia.

2) Una vez terminada la cuenta, se envía una señal a la fuente (1 lógico) para que

de esta forma se apague el sistema láser y deje de radiar el objeto biólogico

seleccionado, hasta que nuevamente se ejecute otra instrucción.

3) La selección del tiempo de radiación es exhibida mediante una pantalla LCD,

indicando una cuenta regresiva hasta finalizar.

51

3.2.4 Circuito de Retroalimentación por fotodiodo

Como se mencionó en el capítulo 2, la manera de obtener un funcionamiento adecuado del láser de diodo es

incorporando el uso de la corriente del fotodiodo [32]. El circuito propuesto se muestra en la figura 3.10:

R2

3.9

21

Q3

2N3904

NCR41k

2

1

EB

Q12N3904

J1

12345

R110k

2

1

GND

C4100p

Q42N3904

VCC

R9

10

21

+ C510u

R6

10k

21

DS1

+ C210u

10k

3 1

2

C3

100pF

Z1

MOD

D1

Q2

2N3904

+ C11u

R83.9

2

1

R71k

2

1

R3560

2

1

Figura 3. 10 Circuito de retroalimentación por fotodiodo.

52

Del circuito anterior se observa que el fotodiodo conectado al láser, permite controlar el

flujo de corriente que circula a través del mismo y a su vez trabaja con la ayuda del

transistor Q1 limitando la corriente que pasa por el láser. Además, el transistor Q2 se

encarga específicamente del control del flujo de corriente que entra por el láser,

evitando dañar los espejos sus espejos internos.

El transistor Q3 controla la cantidad de corriente que entra al transistor Q1

cortocircuitando R7 y aumentando la potencia de salida, hasta un valor determinado por

el resistor variable de 10 kΩ. Por último, el transistor Q3 configurado en base común nos

proporciona una protección adicional a láser cuando el voltaje de la fuente de

alimentación se aplica a la terminal VCC, evitando dañar el dispositivo

permanentemente.

3.2.4 Circuito Final Propuesto

El circuito final para alimentar el láser de diodo, controlar los tiempos de radiación

y frecuencia y con el circuito de retroalimentación por fotodiodo se muestran en la figura

3.11.

53

Figura 3.11 Circuito final propuesto de alimentación, control de tiempos de radiación y frecuencia y circuito de retroalimentación por fotodiodo.

54

Los pulsos generados por el equipo de propuesto de la figura 3.11 presentan las formas

de los pulsos mostrados en anaranjado de la figura 3.12, en donde solo se muestran los

pulsos generados para los tiempos de 15s, 30s y 60s.

Figura 3.12 Pulsos generados por el equipo de fotobioestimulación para tres tiempos de radiación.

De la figura 3.12 se observa que los pulsos creados por el microcontrolador tienen una

frecuencia de 1.5 kHz. Las pulsaciones generadas por el láser responden a cada flanco

de ascenso de los pulsos generados por el microcontrolador.con un ancho de pulso de

200 ns de acuerdo a los datos del fabricante. Es decir, el pulso con duración de 200 ns

se generará en cada flanco de ascenso de acuerdo a la frecuencia generada por el

microcontrolador, (1.5 kHz y 10 Hz). Además, el ancho del pulso se conservará

independientemente de la frecuencia. Para poder afirmar esta situación es necesaria la

medición de las características ópticas del láser presentadas en la siguiente sección de

este capítulo.

55

3.3 Caracterización del láser de diodo

Se realizaron mediciones de ancho del pulso, frecuencia, periodo, patrón de

radiación y energía del láser de diodo de las características mencionadas en la sección

3.2 de este capítulo y se describen a continuación.

3.3.1 Medición del ancho del pulso del láser pulsado con λ=904nm

Como primer paso para la caracterización del sistema láser se procedió a medir

el ancho del pulso en el que se produce la potencia pico del láser, esto con el fin de

definir posteriormente las intensidades de radiación.

3.3.1.1 Circuito con Fotodiodo (MRD500)

Debido a que la energía que entrega el láser pulsado es óptica, para poder observar el

ancho del pulso es necesario utilizar un dispositivo electrónico que permita transformar

la energía óptica en energía eléctrica. El dispositivo semiconductor seleccionado fue el

MRD500 el cual, dentro de su respuesta espectral, incluye la longitud de onda del diodo

láser pulsado, como lo muestra la figura 3.13 [34]:

Figura 3.13 Respuesta espectral relativa del fotodiodo MRD500 [34].

56

En la tabla 3.3 se presentan las características más importantes del fotodiodo utilizado

[34].

Tabla 3.3 Características del fotodiodo MRD500 [34].

El fotodiodo presenta la característica de poder trabajar en tres regiones de operación:

la región fotovoltaica, la región de corto circuito y la región fotoconductiva [37]. En

función de los datos proporcionados por el fabricante, la región de operación

seleccionada fue la región fotoconductiva ya que es en ésta en donde se aprovecha la

producción de corriente por la incidencia de fotones del láser cuando el dispositivo se

encuentra en polarización inversa. La figura 3.14 muestra el circuito propuesto para

detección del ancho del pulso del diodo láser.

Parámetro

Símbolo

Valor típico

Unidad

Voltaje inverso VR 100 V.

Corriente de oscuridad (VR = 20V, RL = 25oC)

ID 1.4 nA.

Voltaje en polarización directa (IF = 50mA)

VF 1.1 V.

Resistencia en serie (IF = 50mA)

RS 10 Ohms.

Corriente de luz (VR = 20V)

IL 6.6 mA .

Tiempo de respuesta (VR = 20V, RL = 50 ohms)

t(resp) 1 ns.

Respuesta espectral ER 0.4 - 1.1 µm.

Longitud de onda de la respuesta espectral máxima.

λR 0.8 µm.

Sensibilidad de Radiación SR 1.8 - 0.42 µA/mW/cm2

57

Figura 3.14 Circuito de polarización del fotodiodo.

3.3.1.2 Medición del Ancho de pulso Para llevar a cabo la medición del ancho del pulso, se conectó el osciloscopio en

la resistencia de 100kΩ, de forma tal que, al no haber incidencia de fotones, la señal

vista en el osciloscopio correspondía a ruido del mismo; teóricamente se tendría la

corriente de obscuridad la cual es tan pequeña que no es posible detectarla con el

osciloscopio utilizado. Debido a que el láser pulsado presenta, según las hojas del

fabricante (tabla 3.2), una potencia pico de 6W, fue necesario ubicar el láser a una

altura de 10.4 cm para que de esta forma la potencia óptica no saturara el fotodiodo

utilizado y fuera posible observar la respuesta del ancho del pulso en el osciloscopio. El

fotodiodo se ubicó por debajo del eje principal del diodo láser, esto es, en donde era

posible observar la máxima excusión de voltaje en el osciloscopio. Las mediciones se

hicieron bajo condiciones de obscuridad así como a una temperatura promedio de 20oC.

La figura 3.15 muestra los pulsos obtenidos en la resistencia de 100kΩ cuando el

fotodiodo es radiado con la luz del láser pulsado con longitud de onda λ = 904nm y

potencia pico de 6W. La frecuencia que proporciona la fuente de alimentación es de

1500Hz valor que se puede comprobar en la misma figura.

20V

100K

0 0

MRD500

58

.

Figura 3.15 Gráfica de los pulsos obtenidos en la resistencia de 100kΩ.

Figura 3.16 Gráfica del ancho del pulso del diodo láser.

59

La figura 3.16 muestra el ancho del pulso, el cual es de 211 ns, valor cercano al

reportado por el fabricante. El ancho del pulso de considera desde el flanco de ascenso

hasta la línea punteada en color naranja. El decaimiento exponencial que se observa en

la gráfica, posterior a la línea punteada, corresponde al tiempo que tarda el dispositivo

en pasar del nivel de máxima conducción al nivel de corte (corriente de obscuridad).

Este valor de tiempo es de 3.5µs y corresponde con el reportado por el fabricante

cuando el dispositivo se encuentra en su máximo punto de conducción.

3.3.2 Medición del patrón de radiación del diodo láser pulsado con λ=904nm

Una vez medido el ancho del pulso y habiendo ubicado la altura en la que el

circuito del fotodiodo no se saturaba debido a la luz del diodo láser, se procedió a medir

el patrón de radiación del láser semiconductor.

Como primer paso se ubicó con una cámara de visión infrarroja la apertura del haz láser

para definir de esta forma el área de radiación, ya que al tratarse de un láser infrarrojo

no es posible detectar el haz a simple vista. El haz láser observado desde la cámara de

visión infrarroja se muestra en la siguiente figura, en donde se ve que existe divergencia

de la luz en los bordes del haz.

Figura 3.17 Haz de luz del diodo láser visto con una cámara de visión infrarroja.

60

Posteriormente se trazó una retícula de tamaño de 60 x 60 mm el cual se dividió cada 3

milímetros. La altura a la que se ubicó el láser fue de 10.4 cm. El arreglo experimental

propuesto se muestra a continuación.

Figura 3.18 Arreglo experimental propuesto para medir el patrón de radiación del láser de diodo.

Una vez posicionado el láser y realizada la retícula, se procedió a medir cada 3

milímetros la amplitud máxima del voltaje en la resistencia de 100kΩ debido a la

incidencia de la luz del láser pulsado en el fotodiodo. Es importante observar que la

amplitud del voltaje depende de la corriente que se produce en el fotodiodo debido a la

incidencia de la luz del láser. Una vez registrados todos los valores de voltaje en toda la

retícula, se procedió a normalizar los datos obtenidos y graficarlos. Para realizar estos

procedimientos, se realizó un programa en MATLAB 7. La figura 3.19 muestra el patrón

de radiación obtenido.

61

Figura 3.19 Patrón de radiación normalizado del diodo láser pulsado con λ=904 nm.

De la figura 3.19 es posible observar que el haz de luz del diodo láser presenta una

distribución gaussiana tanto para el eje de las “x” como para el eje de las “y”, lo que

comprueba una de las características de la luz de los láseres semiconductores. De la

misma figura es posible observar que la máxima potencia se ubica en el centro de la

distribución gaussiana tanto para el eje de las “x” como para el eje de las “y”. Al alejarse

del centro de la distribución la potencia de la luz va decayendo hasta llegar a niveles de

0% en ambos ejes.

62

La figura 3.20 muestra una gráfica de contornos de la radiación láser. Esta gráfica

representa la forma en la que la potencia de la luz láser se distribuye al hacerse incidir

sobre una superficie. De la misma figura es posible observar que la zona central,

delimitada en rojo, es en donde se encuentran las potencias más grandes.

Posteriormente se define una segunda zona central, delimitada en color naranja, en

donde se presentan variaciones hasta del 10% con respecto a la potencia máxima, la

cual se encuentra en el centro de la zona delimitada con rojo.

Esta gráfica es de interés ya que las semillas se radiarán dentro del área en donde

existan variaciones máximas del 10% con respecto a la potencia máxima. Esto con el

fin de asegurar una radiación más uniforme de las semillas.

Figura 3.20 Gráfica de contornos del patrón de radiación del láser pulsado.

63

3.3.3 Medición de la energía por pulso del diodo láser pulsado con λ=904nm

Para la medición de la intensidad del haz de luz del diodo láser se utilizó una

punta piroeléctrica modelo RjP-735 y un radiómetro modelo Rs-5900 de la compañía

Laser Probe. Las características de la punta de prueba son las siguientes [35]:

Tabla 3. 4 Especificaciones de la Punta de Prueba RjP-735 [35]. Parámetro Valor

Respuesta espectral 0.18 - 20µm

Energía máxima total 1.0 J

Máxima densidad de energía 1.0 J/cm2

Máxima densidad de potencia pico del pulso 1.0 MW/cm2

Máxima densidad de potencia promedio 5.0 W/cm2

Energía Mínima detectable 100 nJ

Máxima tasa de repetición del pulso 40 Hz

Ancho máximo del pulso 1.0 ms

Exactitud de la calibración ± 5%

Linealidad ± 0.5%

Área activa detectable 1.0 cm2

Para medir la energía del diodo láser pulsado, éste se ubicó a una distancia tal que

permitiera concentrar toda la energía en 1cm2 dentro de la punta de prueba [36]. Para

esto se seleccionó el disco con apertura adecuada que permitiera este flujo de energía

hacia el interior de la punta. Debido a que la punta de prueba tiene una respuesta

máxima en frecuencia de 40 Hz y el radiómetro utilizado puede realizar muestreos en

10Hz, 100Hz, 1000Hz y 10kHz fue necesario modificar la frecuencia de operación del

láser pulsado de 1500Hz a 10Hz de forma tal que la energía pudiera ser captada

correctamente por la punta de prueba y a su vez pudiera ser cuantificada correctamente

64

por el radiómetro. El experimento montado para medir la energía por pulso se muestra

en la figura 3.21.

Figura 3.21 Experimento para medir la energía de un dispositivo láser.

A continuación se muestra la fórmula que permite calcular la energía:

[J] (3.8)

Donde:

E = energía P = potencia t = tiempo

Sustituyendo los valores de la tabla 3.1 en la fórmula 3.8 es posible calcular la energía

producida en cada pulso.

nJE 1200=

JE µ2.1=

tPE ∗=

)200(6 nsWE =

65

Una vez calculada la energía se procedió a realizar la medición utilizando la punta de

prueba y el radiómetro. El radiómetro llevó a cabo 10 muestreos entregando el

promedio de las mediciones de energía y la desviación estándar. Los datos obtenidos

son los siguientes:

Tabla 3. 5 Datos obtenidos a partir de la punta de prueba y del radiómetro. Parámetro Valor

Energía promedio 1.25µJ

Desviación estándar 0.06µJ

Frecuencia 10 Hz

Partiendo de los datos obtenidos en la tabla 3.5 se procedió a encontrar la potencia pico

entregada por el diodo láser durante los 211ns. Despejando la potencia de la ecuación

1 se obtiene lo siguiente:

tE

P =

nsJ

P211

25.1 µ=

WP 924.5=

De esta forma se comprueba que la potencia que entrega el diodo láser durante los

211ns es próxima a 6 W, dato proporcionado por el fabricante.

66

Finalmente, la comparación de las características medidas con los datos

proporcionados por el fabricante del láser de diodo pulsado infrarrojo se muestra en la

tabla 3.6:

Tabla 3.6 Comparación de los valores dados por el fabricante y los valores medidos. Parámetro Valor dado por el

fabricante

Valor medido

Energía promedio 1.2 µJ 1.25 ± 0.06 µJ

Ancho de Pulso 200 ns 211 ± 5 ns

Potencia 6 W 5.924 ± 0.005 W

Frecuencia 1.5 kHz 1.506 ± 0.002 kHz

67

CAPITULO 4. MATERIALES Y MÉTODOS

4.1 Introducción

Una vez desarrollado el equipo de fotobioestimulación y comprobando las

características del diodo láser empleado, se procedió a buscar los efectos de la luz

láser infrarroja pulsada de λ = 904 nm sobre semillas. El empleo de la semilla como

objeto biológico se debe a la necesidad que se vive a nivel mundial de nuevos métodos

ecológicos para emplearse en la agricultura y en particular de aquellos que buscan

mejorar la calidad de la semilla [38].

En este capítulo se presentan los lineamientos necesarios para el tratamiento y el

análisis de los parámetros fisiológicos de las semillas empleadas.

4.2 Definición de los tratamientos con radiación láser

La definición de los tratamientos se hizo para la intensidad de radiación partiendo y los

tiempos de radiación que se aplacan sobre semillas.

4.2.1 Intensidad de Radiación

La intensidad de radiación está definida como la potencia por unidad de área, como lo

muestra la ecuación 4.1:

]/[ 2cmWAP

I = (4.1)

68

Para determinar la intensidad promedio con la que se está radiando el objeto biológico

se hace una aproximación a pulsos cuadrados como se muestra en la figura 4.1 y se

calcula la potencia promedio que se encuentra en función de la frecuencia, del ancho

de pulso y de la potencia pico.

Figura 4.1 Potencia promedio en función de la potencia pico, frecuencia y ancho de pulso

El cálculo de la potencia promedio es:

τ = 211 ns

Pp = 5.924 W

f = 1.506 kHz

69

9

102110

10211

10211

0

0

0

10211924.51506

)(924.51506

061506

)(1

0;

924.5;0)(

9

9

9

−××=

=

+=

+=

=

<<

<<=

−

−

−

∫∫

∫∫

∫

xP

tP

dtdtP

dtPdtPfP

dttPt

P

Tt

ttP

prom

xprom

T

x

x

prom

T

prom

t

prom

τ

τ

τ

τ

La potencia promedio para el diodo láser de pulsos es:

τ××= picoprom PfP

Pprom = 1.9 mW (4.2)

Las áreas de radiación en donde se concentró la potencia promedio fueron de:

A1= 0.5 cm2 A2 = 1cm2 A3 = 2 cm2

70

De acuerdo a la ecuación 4.1, sustituyendo el valor de 4.2 y las aéreas antes

propuestas se obtienen las intensidades promedio:

23

11 /8.3

5.0109.1

cmmWx

A

PI prom

===−

23

22 /9.1

1109.1

cmmWx

A

PI prom

===−

23

33 /95.0

2109.1

cmmWx

A

PI prom

===−

La ubicación de las áreas en donde se realizan los experimentos de radiación con

semillas corresponde únicamente a la zona en donde la potencia se concentra en un

10%, esta zona se ubica con ayuda de una cámara de visión infrarroja y de la gráfica de

contorno obtenida para el patrón de radiación del láser de diodo. De la figura 4.2 se

observa que en el contorno de la zona en rojo se encuentra la mayor intensidad

correspondiente al 10% de intensidad máxima.

Figura 4.2 Zona de radiación empleada en los tratamientos láser.

71

4.2.3 Tratamientos aplicados al objeto biológico

Para la definición de los tratamientos láser se planteó un diseño experimental

factorial con 3 variables las cuales están definidas por las intensidades definidas

anteriormente y 6 niveles refiriéndose a los tiempos de radiación, teniendo un total de

18 tratamientos. Los tratamientos definidos son los siguientes:

Intensidad 0.95mW/cm2 : Control (0s), 15s, 30s, 60s, 120s y 240s.

Intensidad 1.9mW/cm2 : Control (0s), 15s, 30s, 60s, 120s y 240s.

Intensidad 3.8mW/cm2 : Control (0s), 15s, 30s, 60s, 120s y 240s.

4.2.4 Dosis aplicada al objeto biológico

Para el caso de la dosis en luz pulsada se introducen otros parámetros como la

frecuencia y duración del pulso. La dosis aplicada por un diodo láser de pulsos al objeto

biológico está determinada por [20]:

⋅⋅⋅=

2cm

JftID τ (4.3)

Donde:

D = Dosis de energía por cm2 [J/cm2]

I = Intensidad de radiación por cm2 [W/m2]

τ = Duración del pulso [s]

t = Tiempo de radiación [s]

f = Frecuencia [1/s]

72

4.3 Diseño experimental: Material Y Condiciones Experimentales

4.3.1 Elección del objeto biológico

La elección de este material biológico se debió a que el tipo de clima que

predomina en la Ciudad de México y estados como Puebla Tlaxcala, Hidalgo,

Querétaro, Morelos, Chiapas, Oaxaca, Guanajuato, Jalisco, Aguascalientes, Zacatecas

y Durango es propio de regiones áridas o semiáridas [39], en donde la escasez de agua

es la principal limitante para la producción de los cultivos. El trigo de la especie “Triticum

Aestivum L.” variedad Náhuatl F2000 (figura 4.3) cubre con las necesidades en

ambientes de sequía a medio lluviosos [40]. El trigo Náhuatl F2000 se clasifica como

variedad de ciclo precoz y con respecto a la altura se considera variedad mediana, ya

que su ciclo de madurez fisiológica se alcanza a los 108 días después de la siembra

alcanzando una altura promedio medida en diferentes condiciones climáticas por planta

de 72 cm [40].

Figura 4.3 Trigo de la especie “Triticum Aestivum L.” variedad Náhuatl F2000.

Las condiciones climáticas recomendadas a la que se desarrollan el Náhuatl F200

normalmente son [31]:

Humedad: 70%

Temperatura: 20°C

73

4.3.2 Diseño Experimental

4.3.2.1 Condiciones experimentales

El diseño experimental se llevo a cabo a través de los lineamientos y requisitos

establecidos por la ISTA (International Seed Testing Association) 2009, con pequeñas

modificaciones especificas para el tratamiento de la especie de trigo “Triticum Aestivum

L.” Náhuatl F200. Esta asociación se encarga de regular la aplicación correcta de los

procedimientos estandarizados para el tratamiento de semillas y para la evaluación de

los atributos fisiológicos ajustándose a los sistemas de control interno y oficial [41].

Los lineamientos seguidos con respecto al tratamiento de las semillas son [41]:

• Los experimentos constan de 100 semillas distribuidas en 4 repeticiones de 25

semillas cada una.

• La ubicación de las repeticiones radiadas es totalmente aleatoria.

• El porcentaje de humedad es del 70%

• La temperatura ambiente promedio durante el día es de 20°C ± 2 y durante la

noche de 15°C ± 2.

• El fotoperiodo esta definido por 13 horas de día y 11 de noche.

Los lineamientos que se consideraron con respecto a la medición de los parámetros

fisiológicos son [41]:

• La medición de los parámetros físicos de crecimiento se realiza 10 días

posteriores a la siembra.

74

• En el análisis físico de la plántula (planta recién germinada) se consideraron

características de crecimiento de la longitud de la parte aérea o plúmula (tallo

que aun no alcanza madurez) y radícula (raíz que aun no alcanza madurez).

La ISTA 2009 también regula el procedimiento a seguir para medir la longitud de la

parte aérea y la radícula. Los lineamientos a seguir son [41]:

A) Parte Aérea

Debe tener una plúmula bien definida, es decir, no debe presentar

divisiones.

La plúmula debe emerger del coleoptilo.

El crecimiento debe ser mayor o igual 5 mm para considerarse normal.

B) Parte Radícula

Debe tener una raíz principal y por lo menos dos raíces secundarias.

Al menos una raíz secundaria debe estar bien desarrollada.

El crecimiento debe ser mayor o igual que 20 mm para considerarse

normal.

La medición del crecimiento de la raíz radica en la importancia de las funciones que

realiza, ya que una raíz bien desarrollada y ramificada en una etapa temprana garantiza

la fijación de la planta al suelo, la absorción de agua, sales minerales, nutrientes del

suelo proporcionado la energía necesaria para cumplir todas sus funciones, tales como

el transporte de micronutrientes al resto de la planta ( parte aérea) para su crecimiento

y posteriormente a las hojas para generar el proceso de fotosíntesis, además de

garantizar la acumulación reservas [42]. Una vez que una raíz fuerte ha proporcionado

75

las sustancias necesarias para el desarrollo de la parte aérea garantizando su

crecimiento hasta la etapa de maduración y debido a que las raíces normales carecen

de clorofila y no reciben luz solar, son “alimentadas” por la parte aérea, asegurando una

planta resistente [42].

4.3.2.1 Planeación Final de los Experimentos

El arreglo experimental final planeado para el tratamiento de semillas del tipo

“Triticum Aestivum L.” Náhuatl F200, con el equipo de fotobioestimulación diseñado es

el que se muestra en el esquema de la figura 4.4:

Figura 4.4 Planeación de los experimentos.

76

CAPÍTULO 5. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS Y RESULTADOS

5.1 Introducción

Este capítulo presenta el procesamiento, análisis e interpretación de los

resultados obtenidos de esta investigación.

A continuación se muestra una serie de tablas y gráficas del crecimiento de la parte

aérea y radícula de acuerdo a la planeación de los experimentos de la figura 4.4. El

análisis de los datos se hizo a través de los programas Estadística y Minitab.

5.2 Procesamiento de los datos

Una vez registrados los valores de las semillas radiadas y de los controles se

procede a normalizar estos datos tanto para las semillas de control como para las

semillas radiadas. Debido a que se trabaja con objetos biológicos vivos, el tamaño de

las muestras para cada repetición de cada tratamiento presenta diferencias; por este

motivo es necesario disminuir hasta igualar el tamaño de las repeticiones de los mismos

tratamientos al tamaño más pequeño. Este proceso se realizo mediante un muestreo

aleatorio. Una vez que todas las repeticiones de los mismos tratamientos tienen el

mismo tamaño, todos los datos se ordenaron en forma descendente.

Aplicando estadística descriptiva se obtuvieron valores para cada repetición de media,

mediana, desviación estándar y error estándar de las medias normalizados.

Posteriormente se promediaron las cuatro repeticiones y se obtuvo un promedio final de

cada parámetro.

77

La correlación es un parámetro muy importante que determina si dos variables

aleatorias son dependientes estadísticamente, es decir, al obtener el coeficiente de

correlación para las cuatro repeticiones (R1, R2, R3 y R4) de cada tratamiento (misma

intensidad y tiempo de exposición) podemos determinar si en las cuatro repeticiones se

mantuvieron las mismas condiciones experimentales. Las correlaciones para cada

tratamiento se obtuvieron realizando las siguientes combinaciones:

X Y

R1 R2

R1 R3

R1 R4

R2 R3

R2 R4

R3 R4

Para determinar el valor del coeficiente de correlación se empleó la siguiente

ecuación:

−

−

−=

∑∑

∑2222 YnYXnx

YXnXYr (5.1)

Los valores del coeficiente de correlación están comprendidos entre -1 y +1. Y se tienen

los siguientes criterios:

+ 1 Correlación lineal positiva perfecta

r = 0 No existe correlación lineal

- 1 Correlación lineal negativa perfecta

78

Para nuestra aplicación obtener un valor de coeficiente de correlación aproximado a

uno, nos indica que las condiciones experimentales para cada tratamiento fueron

homogéneas y se descarta la posibilidad de errores experimentales. En caso de obtener

un coeficiente de correlación menor a 0.7 es necesario realizar el experimento

nuevamente.

Para analizar los efectos del láser en el crecimiento de la parte aérea y de la radícula se

llevó a cabo el análisis de Tukey (comparación de múltiples medias) en busca de

significancias estadísticas entre el control y las medias de los diferentes tratamientos

(diferentes tiempos de exposición y misma intensidad). Los criterios que se siguen para

determinar la significancia estadística son:

*ρ<0.05 No existe significancia estadística fuerte

ρ = **ρ<0.01 Existe significancia estadística

***ρ<0.001 Existe significancia estadística muy fuerte

79

5.3 Resultados

5.3.1 Resultados para la Intensidad de I = 0.95 mW/cm2

De los datos obtenidos se procede a analizar los cuatro tratamientos (con sus o

repeticiones elaborados para la parte aérea y la radícula.

5.3.1.1 Correlación

Como se mencionó anteriormente, para descartar errores experimentales y

garantizar que existieron condiciones homogéneas en todos los experimentos se

muestran tablas de las correlaciones de las cuatro repeticiones y se muestra solo una

de las gráficas de correlación ya que para cada tratamiento se obtuvieron 6 gráficas

para la parte aérea y 6 gráficas para la radícula.

A) Parte Aérea

La tabla 5.1 muestra el valor de las correlaciones de las cuatro repeticiones para

cada tiempo de radiación y el control, se nota que el valor de las correlaciones de la

tabla 5.1 se aproximan a uno. De la figura 5.1 se observa la correlación de las cuatro

repeticiones obtenidas para un tiempo de 15 s.

80

Tabla 5.1 Correlaciones para I = 0.95 mW/cm2 para la parte aérea. Tiempo

(t) Control 15 s 30 s 60 s 120 s 240 s

Correlación r

0.945 0.97 0.964 0.96 0.941 0.924

Figura 5.1 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para I = 0.95 mW/cm2 y un tiempo de 15 s.

81

B) Radícula

La tabla 5.2 muestra el valor de las correlaciones de las cuatro repeticiones de

cinco tiempos de radiación y el control, se observa que el valor de las correlaciones es

aproximado a uno. De la figura 5.2 se ve la correlación de las cuatro repeticiones

obtenidas para un tiempo de 30 s.

Tabla 5.2 Correlaciones para I = 0.95 mW/cm2 para la parte radícula. Tiempo

(t) Control 15 s 30 s 60 s 120 s 240 s

Correlación r

0.935 0.975 0.96 0.98 0.952 0.936

Figura 5.2 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para I = 0.95 mW/cm2 y un tiempo de 30 s.

82

5.3.1.2 Estadística Descriptiva

La tabla 5.3 y gráfica 5.1 muestran la estadística descriptiva de la parte aérea

para la intensidad de 0.95 mW/cm2 y cinco tiempos de radiación y el control.

A) Parte Aérea

Tabla 5. 3 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 0.95 mW/cm2

Tiempo

[t]

Media [cm]

Mediana

[cm]

ESM [cm]

STD [cm]

Media

[%]

ESM [%]

0

11.806

12.1

0.229

1.636

100

1.9

15

11.880

11.9

0.257

1.892

100.6

2.1

30

12.01

12.2

0.245

1.976

102*

2

60

11.494

11.7

0.256

2.017

97.4*

2.1

120

11.671

12.0

0.235

1.868

98.9

1.9

240

12.02

12.3

0.235

1.636

101.8*

1.9

*ρ<0.05 STD = Desviación Estándar ESM = Error Estándar de la Media

83

Figura 5.3 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 0.95 mW/cm2.

84

B) Radícula

La tabla 5.4 y gráfica 5.2 muestran la estadística descriptiva de la radícula para la

intensidad de 0.95 mW/cm2 y cinco tiempos de radiación y el control.

Tabla 5.4 Estadística descriptiva de la radícula para I = 0.95 mW/cm2

Tiempo [t]

Media [cm]

Mediana

[%]

ESM [cm]

STD [cm]

Media

[%]

ESM [%]

0

13.375

13.2

0.325

2.302

100

2.4

15

15.028

15.1

0.419

3.076

112.4***

3.1

30

14.475

13.9

0.415

3.348

108.3**

3

60

15.176

15.4

0.514

4.05

113.5***

3.8

120

15.024

14.8

0.418

3.316

112.3***

3.1

240

15.180

14.9

0.432

3.344

113.5***

3.2

*ρ<0.05 **ρ<0.01 ***ρ<0.001

85

Figura 5.4 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 0.95 mW/cm2.

86

5.3.2 Resultados para la Intensidad de I = 1.9 mW/cm2

Para el análisis de los datos obtenidos se sigue el mismo procedimiento que para

la intensidad anterior para los cuatro tratamientos o repeticiones elaborados para la

parte aérea y la radícula.

5.3.2.1 Correlación

A) Parte Aérea

La tabla 5.5 muestra el valor de las correlaciones de las cuatro repeticiones para

cada tiempo de radiación y el control, el valor de las correlaciones mostradas en la tabla

se aproxima a uno.

Tabla 5.5 Correlaciones para I = 1.9 mW/cm2 para la parte aérea. Tiempo

(t) Control 15 s 30 s 60 s 120 s 240 s

Correlación r

0.967 0.94 0.981 0.951 0.934 0.98

87

De la figura 5.3 se observa la correlación de las cuatro repeticiones obtenidas para un

tiempo de 60 s.

Figura 5 5 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para I = 1.9 mW/cm2 y un tiempo de 60 .s

B) Parte Radícula

De la tabla 5.6 se observan las correlaciones de las cuatro repeticiones de cinco

tiempos de radiación y el control es aproximado a uno. De la figura 5.4 se ve la

correlación de las cuatro repeticiones obtenidas para un tiempo de 120 s.

88

Tabla 5.6 Correlaciones para I = 1.9 mW/cm2 para la parte radícula. Tiempo

(t) Control 15 s 30 s 60 s 120 s 240 s

Correlación r

0.919 0.935 0.972 0.926 0.944 0.98

Figura 5.6 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para I = 1.9 mW/cm2 y un tiempo de 120 s

89

5.3.2.2 Estadística Descriptiva

A) Parte Aérea

La tabla 5.7 y gráfica 5.3 muestran la estadística descriptiva de la parte aérea

para la intensidad de 1.9 mW/cm2 y cinco tiempos de radiación y el control.

Tabla 5.7 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 1.9 mW/cm2

Tiempo [t]

Media [cm]

Mediana

[%]

ESM [cm]

STD [cm]

Media

[%]

ESM [%]

0

11.897

12.10

0.238

1.951

100

2

15

12.146

12.15

0.244

3.19

102.1*

2.1

30

12.537

12.65

0.225

1.886

106.3**

1.9

60

12.066

12.20

0.201

1.619

101.5

1.7

120

12.064

12.40

0.257

2.183

101.4

1.7

240

12.403

12.35

0.213

1.757

104.3*

1.8

*ρ<0.05 **ρ<0.01

90

Figura 5.7 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 1.9 mW/cm2

91

B) Radícula

La tabla 5.8 y la gráfica 5.4 muestran la estadística descriptiva de la radícula para

cinco tiempos de radiación y el control.

Tabla 5.8 Estadística descriptiva de la radícula para I = 1.9 mW/cm2

Tiempo [t]

Media [cm]

Mediana

[%]

ESM [cm]

STD [cm]

Media

[%]

ESM [%]

0 13.796 13.4 0.39 2.041 100 2.8

15 16.101 15.95 0.482 4.033 116.7*** 3.5

30 16.134 16.25 0.357 2.984 117*** 2.6

60 14.886 14.9 0.402 3.24 107.9** 2.9

120 15.592 15.85 0.377 3.199 113.1*** 2.7

240 15.191 15.0 0.441 3.633 110.1** 3.2

*ρ<0.05 **ρ<0.01 ***ρ<0.001

92

Figura 5.8 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 1.9 mW/cm2.

93

5.3.3 Resultados para la Intensidad de I = 3.8 mW/cm2

El análisis de los datos obtenidos se realizó con el mismo procedimiento que

para las intensidades anteriores, para las cuatro repeticiones elaboradas para la parte

aérea y la radícula.

5.3.3.1 Correlación

A) Parte Aérea

La tabla 5.9 muestra el valor de las correlaciones de las cuatro repeticiones para

cada tiempo de radiación y el control, de esta tabla se ve que el valor de las

correlaciones se aproxima a uno. De la figura 5.5 se observa la correlación de las cuatro

repeticiones obtenidas en este caso para el control.

Tabla 5.9 Correlaciones para I = 3.8 mW/cm2 para la parte aérea. Tiempo

(t) Control 15 s 30 s 60 s 120 s 240 s

Correlación r

0.933 0.952 0.919 0.923 0.941 0.982

94

Figura 5.9 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la parte aérea para I = 3.8 mW/cm2 y el control.

B) Parte Radícula

De la tabla 5.10 se observa que todos los valores de las correlaciones de las

cuatro repeticiones de cinco tiempos de radiación y el control es aproximado a uno. De

la figura 5.6 se ve la correlación de las cuatro repeticiones obtenidas para un tiempo de

240 s.

95

Tabla 5.10 Correlaciones para I = 3.8 mW/cm2 para la parte radícula. Tiempo

(t) Control 15 s 30 s 60 s 120 s 240 s

Correlación r

0.967 0.954 0.92 0.94 0.929 0.973

Figura 5.10 Gráficas de correlación para cuatro repeticiones del crecimiento de la radícula para I = 3.8 mW/cm2 y un tiempo de 240 s

96

5.3.3.2 Estadística Descriptiva

A) Parte Aérea

La tabla 5.11 y la gráfica 5.5 muestran la estadística descriptiva de la parte aérea

para cinco tiempos de radiación y el control.

Tabla 5.11 Estadística descriptiva de la parte aérea para I = 3.8 mW/cm2

Tiempo [t]

Media [cm]

Mediana

[%]

ESM [cm]

STD [cm]

Media

[%]

ESM [%]

0

11.144

11.55

0.328

2.587

100

2.13

15

11.412

11.6

0.292

2.39

102.5*

2.6

30

11.862

12.05

0.25

2.064

106.5**

2.2

60

11.255

11.75

0.306

2.373

101

2.7

120

11.402

11.3

0.282

2.294

102.3*

2.5

240

11.073

11.3

0.345

2.74

99.4

3.1

*ρ<0.05 **ρ<0.01

97

Figura 5.11 Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo para I = 3.8 mW/cm2.

98

B) Radícula

La tabla 5.12 y la gráfica 5.5 muestran la estadística descriptiva de la radícula

para cinco tiempos de radiación y el control.

Tabla 5.12 Estadística descriptiva de la radícula para I = 3.8 mW/cm2

Tiempo [t]

Media [cm]

Mediana

[%]

ESM [cm]

STD [cm]

Media

[%]

ESM [%]

0

12.36

12.15

0.423

3.332

100

3.4

15

14.348

14.6

0.48

3.926

116.1***

3.9

30

15.003

15.0

0.358

2.949

121.38***

2.9

60

13.813

14.1

0.537

4.162

111.8**

4.3

120

13.286

12.85

0.46

3.74

107.5**

3.7

240

13.392

13.6

0.529

4.202

108.4**

4.3

*ρ<0.05 **ρ<0.01 ***ρ<0.001

99

Figura 5.12 Crecimiento de la radícula en semillas de trigo para I = 3.8 mW/cm2.

100

DISCUSION DE RESULTADOS

De la tabla 5.3 y la gráfica 5.1 se observa que para una intensidad de I = 0.95

mW/cm2 existe estimulación en el crecimiento de la parte aérea de las plantas de trigo.

La máxima estimulación obtenida al aplicar esta intensidad en un tiempo de 30 s fue del

2% (ρ<0.05) con respecto al control, un efecto similar se presenta para un tiempo de

240 s, alcanzando un nivel de estimulo del 1.8% (ρ<0.05). Para esta misma intensidad

se observan niveles de crecimiento no tan significativos para cuando la semilla se radió

con un tiempo de 60 s (ρ<0.05).

De la tabla 5.4 y la gráfica 5.2 correspondientes al crecimiento de la radícula

para la intensidad de I = 0.95 mW/cm2, se observan cuatro niveles de estimulo

importantes, los resultados más significativos se obtuvieron para los tiempos de 60 s y

240 s con un porcentaje de crecimiento con respecto al nivel de control del 13.5% para

ambos tiempos (ρ<0.001). Los otros dos resultados significativos se dieron para un

tiempo de 15 s aumentando el crecimiento de la radícula en 12.4% con respecto al

control (ρ<0.01), seguido de un estimulo del 12.3 % (ρ<0.001) cuando el láser IR se

aplico durante 120 s. Otro resultado que presentó una significancia estadística

importante fue para un tiempo de radiación de 30 s (ρ<0.01).

Con respecto a la tabla 5.7 y la gráfica 5.3, la estimulación máxima fue del 6.3%

en el crecimiento de la parte aérea de las plantas de trigo con respecto al control

(ρ<0.01) y se consiguió para la intensidad de 1.9 mW/cm2 y un tiempo de 30 s. Otros

resultados positivos con significancia estadística (ρ<0.05) se alcanzó para la misma

intensidad y un tiempo de radiación de 15 s y 240 s del 2.1% y 4.3% con respecto al

control.

101

Para esta misma intensidad y con respecto al crecimiento de la radícula (tabla

5.8 y gráfica 5.4) se observa que para un tiempo de radiación de 30 s se alcanzó un

nivel de estimulo máximo del 17% (ρ<0.001) con respecto a las semillas sin radiar. Un

resultado similar se obtuvo para un tiempo de 15 s (ρ<0.001), con un nivel de

crecimiento del 16.7% con respecto al control. Otro resultado importante (ρ<0.001) se

obtuvo para un tiempo de 120 s con un crecimiento de la radícula del 13.1% comparado

con el nivel de control.

De la tabla 5.11 y la gráfica 5.5 se observa que para la intensidad de 3.8 mW/cm2

el nivel de crecimiento de la parte aérea de la planta alcanza un 6.5% con respecto a

las semillas sin radiar (ρ<0.01). Se observa también que para los tiempos de 15 s y 30 s

se obtiene un mismo nivel de crecimiento del 2.5% con respecto al control (ρ<0.05).

Referente a la radícula y para esta misma intensidad, de la tabla 5.12 y gráfica

5.6 se observa el máximo nivel de crecimiento encontrado para esta investigación; este

nivel de estimulo se obtuvo para un tiempo de 30 s del 21.38% con respecto al nivel de

control (ρ<0.001). Otros estímulos importantes en el crecimiento de la radícula se

encontraron para un tiempo de 15 s del 16.1% (ρ<0.001) y para un tiempo de radiación

de 60 s del 11.8% (ρ<0.01) con respecto a las semillas sin radiar.

102

CONCLUSIONES

• De los datos obtenidos del porcentaje de crecimiento de la plúmula producidos

por el láser IR con λ = 904nm, se puede observar que las semillas de trigo

(Triticum aestivum L) variedad Nahúatl F2000, se estimulan con el equipo láser

de onda pulsada diseñado.

• Para la parte de la raíz de la planta, se obtiene un estimulo máximo a una

intensidad de 3.6 mW/cm2 y un tiempo de 30 s con un porcentaje de crecimiento

del 21.38%. El análisis estadístico muestra que para este tratamiento existe una

significancia estadística de ρ < 0.001 tanto para la parte aérea como para la

radícula, esto significa que los resultados obtenidos son resultado de la radiación

láser. Otros resultados importantes se observan para una intensidad de 1.9

mW/cm2 y un tiempo de radiación de 30 s se alcanzó un nivel de estimulo del

17% (ρ<0.001) con respecto a las semillas sin radiar y para esa misma

intensidad y un tiempo de 15 s (ρ<0.001), se alcanzó un nivel de crecimiento del

16.7% con respecto al control. Se observa que los resultados conseguidos para

esta investigación se presentan para tiempos cortos de radiación.

• Los resultados para el crecimiento de la raíz son muy importantes ya que una

raíz bien desarrollada y ramificada en una etapa temprana garantiza la fijación

de la planta al suelo, la absorción de agua, sales minerales, nutrientes del suelo

proporcionado la energía necesaria para cumplir la función de transporte de

micronutrientes al resto de la planta.

103

TRABAJO A FUTURO

La metodología de tratamiento de semillas empleada en este trabajo de tesis puede

extenderse sin ninguna restricción para analizar el comportamiento que podría tener

otro tipo de luz láser sobre el crecimiento de semillas de trigo de la misma variedad.

El análisis del crecimiento de la raíz de la planta llevado a cabo en esta tesis es una

nueva aportación a este tipo de investigaciones y su comportamiento con otro tipo de

luz láser puede seguir siendo estudiada.

104

REFERENCIAS

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105

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106

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107

ANEXO 1. Conceptos básicos [43]

La estadística es una herramienta matemática muy importante en el análisis de la

información. Esta herramienta matemática nos enseña la forma de trabajar con la

información incluida su obtención, su análisis y su interpretación. La información que

trabaja la estadística recibe el nombre de datos, los cuales están disponibles en forma

de números. La estadística esta dividida en dos grupos: la estadística descriptiva, la

cual nos enseña a organizar y resumir los datos; la estadística inferencial, la cual nos

enseña a tomar decisiones respecto a un gran volumen de datos al examinar sólo una

pequeña parte de ellos.

Al igual que otras ciencias la estadística maneja su propio lenguaje por lo que a

continuación se definen algunos términos propios de esta área.

Datos: Los datos se definen como números. Existen dos tipos de números, un tipo de

números corresponde a los obtenidos de la toma de mediciones y el otro tipo de

números corresponde a aquellos que viene de un proceso de conteo. Normalmente los

datos que provienen de un proceso de conteo se asocian a variables cualitativas.

Estadística: La estadística en la disciplina que se encarga de 1) la recolección,

organización, resumen y análisis de datos así como 2) de la obtención de interferencias

a partir de un volumen de datos cuando se examina sólo una parte d estos.

Variable: Una característica se toma como variable si se encuentra que esta toma

diferentes valores en diferentes personas, lugares o cosas. Esto nos indica que la

característica no es la misma cuando se observa en diferentes sujetos.

108

Variable cuantitativa: Una variable cuantitativa es aquella que puede medirse en la

forma usual, esto es, a través de números. Este tipo de variables conlleva información

respecto a cantidad.

Variable cualitativa: Algunas características no puede ser medidas por lo que solo es

posible clasificarlas. La medición consiste en una clasificación. Las mediciones hechas

sobre este tipo de variables contienen información respecto a los atributos. Los conteos

o las frecuencias son los números que se manejan en el análisis que involucra variables

cualitativas.

Variable aleatoria: Una vez definida la variable esta puede adquirir diferentes valores

para una determinada característica. Cuando los valores se originan como resultado de

factores aleatorios (al azar), que no pueden predecirse con exactitud y anticipación, la

variable se llama variable aleatoria.

Variable aleatoria discreta: Una variable aleatoria discreta se caracteriza por

separaciones o interrupciones en la escala de valores que puede tomar. Estas

separaciones o interrupciones indican la ausencia de valores entre los valores

específicos que puede asumir la variable.

Variable aleatoria continua: Una variable aleatoria continua no posee separaciones o

interrupciones típicas de una variable aleatoria discreta. Una variable aleatoria continua

puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo especificado de valores asumidos

por la variable.

109

Población: Una población se define como una colección de entidades. Una población

de entidades se define como la colección más grande de entidades de interés en un

momento particular. De forma mas general, una población de valores se puede definir

como la mayor colección de valores para una variable aleatoria, los cuales son de

interés en un momento particular.

Muestra: Una muestra puede definirse como una parte de una población.

Correlación: Es un parámetros muy utilizado en la estadística y se encarga de medir la

intensidad de la relación lineal entre dos variables X y Y. El coeficiente de correlación (r)

puede tener cualquier valor entre -1 y +1. Cuando r = -1 se dice que existe una

correlación lineal inversa perfecta entre las variables de interés. Cuando r = +1 existe

una correlación lineal entre las variables de interés X y Y. Cuando el valor de r = 0 las

variables X y Y no presentan una correlación lineal.

La ecuación para calcular la correlación es:

−

−

−=

∑∑

∑2222 YnYXnx

YXnXYr

110

ANEXO 2.

Hojas de especificaciones de los dispositivos básicos utilizados.

a) PIC18F452

111

b) Regulador de voltaje LM317

112

c) Hojas de especificaciones del laser empleado

113

ANEXO 3. PUBLICACIONES

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

Resumen – Este artículo presenta un estudio de los efectos de bioestimulación presentes en semillas de

trigo cuando se aplica luz láser infrarroja pulsada. Se

utilizó un diodo láser con longitud de onda de

λ=904nm. Se muestran las tablas y gráficas que

incluyen los efectos de bioestimulación debidos a los

parámetros de luz aplicados. Palabras Clave – bioestimulación, longitud de de

onda, láser.

Abstract –– This paper deals an analysis of

bioestimulation effects in spring seeds when pumped

infrared laser light is applied. A laser diode with

λ=904 nm was used. Tables and response graphs

including bioestimulation effects due to the

parameters of light applied are presented. Keywords –– bioestimulation, wavelength, laser.

Introducción

Existen diversos estudios sobre los efectos de la luz láser en semillas [3-7], la mayor parte de estos estudios utilizan luz láser de onda continua de He-Ne en el espectro visible para producir efectos de estimulación. Vasilevski y D. Bosev [1] utilizaron un láser de He-Ne con longitud de onda de 632.8nm y potencia de salida de 20mW como un método de bioestimulación de semillas de papa. Los resultados obtenidos sobre estas semillas fueron un incremento en el número de papas por planta del 43.1% mayor que las semillas sin radiar (control), incrementándose de igual manera el peso de las papas en 21.4%. Guardia Gutiérrez y R. Casate Fernández [2] investigaron la influencia de la radiación láser de baja potencia en el rendimiento de semillas de cebolla de la variedad Red Creole. Las semillas fueron tratadas pre-siembra con un láser de He-Ne de 25mW de potencia, con una longitud de onda de 632.5nm. Cada muestra fue expuesta al haz de luz durante 0.25 y 1 minuto; además de un testigo sin radiar. De esta investigación se obtuvo una marcada estimulación para los tratamientos radiados durante 1 minuto, siendo la estimulación del 17.5% con respecto al control. Otras investigaciones [3-7] muestran efectos positivos de estimulación sobre semillas. Las radiaciones con laser producen variaciones a nivel celular que influyen en el crecimiento y desarrollo de la planta, aumentando el vigor de las semillas pre-siembre para obtener cosechas más abundantes [8]. Los efectos que pueden encontrarse de acuerdo a diversas investigaciones [3-7] dependen principalmente de parámetros de la luz láser tales como:

• La longitud de onda (nm) • La intensidad (W/cm2) • El tiempo de exposición (s)

Efectos de Bioestimulación sobre el Crecimiento de Semillas de Trigo Empleando Luz

Láser Infrarroja de Pulsos con Longitud de Onda λλλλ=904nm

S. M. Carrillo Rivas1, M. Hernández Vizuet1, A. Michtchenko1

1Instituto Politécnico Nacional, ESIME SEPI, Zacatenco, CP. 07738, México D.F. Teléfono (55) 57296000 ext. 54622. E-mail: smarlenecr@gmail.com,

mahhhevi@hotmail.com,amichtchenko@ipn.mx

ARTICULO ACEPTADO EN

XI CNIES 2009

128

• Tipo de luz: continua o pulsada. Además, se introduce un factor compuesto llamado dosis y que se aplica al objeto biológico, el cual se determina para el caso de luz continua como [8]:

⋅=

2cm

JtID (1)

Donde: D = Dosis de energía por cm2 [J/cm2] I = Intensidad de radiación por cm2 [W/m2] t = Tiempo de radiación [s] Para el caso de la dosis en luz pulsada se introducen otros parámetros como la frecuencia y duración del pulso. La dosis aplicada por un diodo láser de pulsos esta está determinada por [8]:

⋅⋅⋅=

2cm

JftID τ

(2) Donde: D = Dosis de energía por cm2 [J/cm2] I = Intensidad de radiación por cm2 [W/m2] τ = Duración del pulso [s] t = Tiempo de radiación [s] f = Frecuencia [1/s] El presente trabajo estudia los efectos de estimulación en semillas de trigo cuando se utiliza luz pulsada producida por un diodo láser con λ=904nm, una potencia pico de 6W y una duración del pulso de 200 ns. Es importante aclarar que los láseres de onda pulsada a diferencia de la luz continua presentan una característica importante: estos dispositivos pueden producir salidas ópticas en el orden de los vatios durante instantes breves de tiempo, lo que puede estimular de manera importante al objeto biológico. II DESARROLLO

Antes de definir los tratamientos con la luz láser se procedió a comprobar las características del sistema láser. Los parámetros medidos fueron: ancho del pulso, frecuencia, energía del pulso y el patrón de radiación. Particularmente para la medición de la energía se utilizó una punta piroeléctrica modelo RjP-735 y un sistema radiométrico piroeléctrico eléctricamente calibrado (ECPR) RS-5900 del fabricante Laser Probe.

El sistema biológico seleccionado fue el trigo (Triticum Aestivum L) variedad Náhuatl F2000, debido a que esta variedad de trigo se desarrolla perfectamente en las condiciones de temperatura y humedad de la Ciudad de México. El diseño experimental se llevo a cabo a través de los lineamientos establecidos por la ISTA 2009. En estos lineamientos se especifican las condiciones de temperatura, humedad y periodos de germinación. Las variables a considerar para la evaluación del crecimiento del trigo fueron la longitud de la parte aérea y la longitud de las raíces. Para la definición de los tratamientos láser se planteó un diseño experimental factorial con 3 variables y 6 niveles teniendo un total de 18 tratamientos. Los tratamientos definidos son los siguientes:

• Intensidad de 0.9mW/cm2: Control (0s), 15s, 30s, 60s, 120s y 240s.

• Intensidad de 1.8mW/cm2: Control (0s), 15s, 30s, 60s, 120s y 240s.

• Intensidad de 3.6mW/cm2: Control (0s), 15s, 30s, 60s, 120s y 240s.

Una vez radiadas las semillas se procedió a sembrarlas según la norma de la ISTA 2009. Posterior a los 10 días de siembra se procedió a medir la longitud de la parte aérea y de las raíces. Esto se hizo tanto para las semillas radiadas como para las semillas de control. De los datos obtenidos se obtuvo la estadística descriptiva y las gráficas de respuesta de estimulación. Una vez registrados los valores de las semillas radiadas y de los controles, se procede a analizar estos datos utilizando la herramienta Estadística para encontrar relaciones entre los experimentos desarrollados. Resultados para I=0.9mW/cm

2 A. Parte Aérea

Con los datos obtenidos para esta intensidad se procede a analizar los cuatro tratamientos elaborados, los cuales difieren sólo en el tiempo de aplicación de la radiación láser para la parte aérea. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla y figura 1.

129

TABLA I ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA PARA UNA

INTENSIDAD DE 0.9mW/cm2. Tiempo Media

[mm] Mediana [mm]

Desviación Estándar [mm]

Media (%)

0 118.06 121 16.36 100 15 118.8 119 18.92 100.6 30 120.14 122 19.76 102 60 114.94 117 20.17 97.4 120 116.71 120 18.68 98.9 240 120.18 123 16.36 101.8

Fig. 1. Crecimiento de la parte aérea en semillas de

trigo para una I= 0.9mW/cm2 De la tabla y figura 1 se observa que para una intensidad de I = 0.9 mW/cm2 existe estimulación en el crecimiento de la parte aérea de las plantas de trigo. La máxima estimulación obtenida al aplicar esta intensidad en un tiempo de 30 s fue del 2% con respecto al control, un efecto similar se presenta para un tiempo de 240 s, alcanzando un nivel de estimulo del 1.8%. Para este tratamiento se obtuvieron valores de correlación de r = 0.99 y 0.98 respectivamente, el valor de correlación para las cuatro repeticiones de los tratamientos es importante, ya que demuestra que los resultados obtenidos, se deben a la acción del láser aplicado, descartando la posibilidad de errores experimentales.

B. Raíz

Los resultados de las mediciones de longitud de la raíz se muestran en la tabla 2 y en la figura 2.

TABLA II. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA PARA UNA

INTENSIDAD DE 0.9 mW/cm2. Tiempo Media

[mm] Mediana [mm]

Desviación Estándar [mm]

Media (%)

0 133.75 132 23.02 100 15 150.28 151 30.76 112.4 30 144.75 139 33.48 108.3 60 151.76 154 40.5 113.5 120 150.24 146 33.16 112.3 240 151.8 148.5 33.44 113.5

Fig. 2. Crecimiento de la raíz en semillas de trigo

para una I= 0.9 mW/cm2 Con respecto a la raíz se observan cuatro niveles de estimulo importantes, los resultados más significativos se obtuvieron para los tiempos de 60 s y 240 s con un porcentaje de crecimiento con respecto al nivel de control del 13.5% para ambos tiempos con r = 0.95 y 0.94 respectivamente. Los otros dos resultados significativos se dieron para un tiempo de 15 s aumentando el crecimiento de la radícula en 12.4% con respecto al control con r = 0.92 seguido de un estimulo del 12.3 % cuando el láser IR se aplico durante 120 s, presentando r = 0.94 Resultados para I=1.8mW/cm

2

A. Parte Aérea

Al igual que con la intensidad anterior con los datos obtenidos para esta intensidad se procede a analizar los cuatro tratamientos elaborados, los cuales difieren sólo en el tiempo de aplicación de la radiación

130

láser. La tabla y figura 3 muestran los resultados de las mediciones.

TABLA III. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA PARA UNA

INTENSIDAD DE 1.8 mW/cm2. Tiempo Media

[mm] Mediana [mm]

Desviación Estándar [mm]

Media (%)

0 118.97 121 19.51 100 15 121.46 121.5 31.9 102.1 30 125.37 126.5 18.86 106.3 60 120.66 122 16.19 101.5 120 120.64 124 21.83 101.4 240 124.03 123.5 17.57 104.3

Fig. 3. Crecimiento de la parte aérea en semillas de

trigo para una I= 1.8 mW/cm2

De acuerdo a los resultados obtenidos para la parte aérea, para un tiempo de 30 s se obtuvo un nivel de crecimiento del 6.3% con r = 0.97. Para un tiempo de radiación de 240 s se obtuvo 4.3% de crecimiento con respecto al control con un valor de correlación r = 0.94. Los tratamientos restantes no presentaron niveles de crecimiento significativos.

B. Raíz

Los resultados para la parte de la raíz de la plántula se analizan en la tabla y figura 4.

TABLA IV. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA PARA UNA

INTENSIDAD DE 1.8 mW/cm2. Tiempo Media

[mm] Mediana [mm]

Desviación Estándar [mm]

Media (%)

0 137.96 134 20.41 100 15 161.01 159.5 40.33 116.7 30 161.34 162.5 29.84 117 60 148.86 149 32.4 107.9 120 155.92 158.5 31.99 113.1 240 151.91 150 36.33 110.1

Fig. 4. Crecimiento de la raíz en semillas de trigo

para una I= 1.8 mW/cm2

Para esta misma intensidad y con respecto al crecimiento de la raíz se observa que para un tiempo de radiación de 30 s se alcanzó un nivel de estimulo máximo del 17% con r = 0.98 con respecto a las semillas sin radiar. Un resultado similar se obtuvo para un tiempo de 15 s con un nivel de crecimiento del 16.7% con respecto al control (r = 0.97). Otro resultado importante se obtuvo para un tiempo de 120 s con un crecimiento de la raíz del 13.1% comparado con el nivel de control y un valor de correlación de r = 0.95.

131

Resultados para I=3.6mW/cm2

A. Parte Aérea

Al igual que las dos intensidades anteriores con los datos obtenidos se procede a analizar los cuatro tratamientos elaborados, los cuales difieren sólo en el tiempo de aplicación de la radiación láser.

TABLA V. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA PARA UNA

INTENSIDAD DE 3.6 mW/cm2. Tiempo Media

[mm] Mediana [mm]

Desviación Estándar [mm]

Media (%)

0 111.44 115.5 25.87 100 15 114.12 116 23.9 102.5 30 118.62 120.5 20.64 106.5 60 112.55 117.5 23.73 101 120 114.02 113 22.94 102.3 240 110.73 113 27.4 99.4

Fig. 5. Crecimiento de la parte aérea en semillas de trigo

para una I= 3.6 mW/cm2 Con respecto a la parte aérea de la plántula, el nivel de crecimiento más importante fue de 6.5% y se dio a un tiempo de 30s con respecto al control, el valor de correlación de este tratamiento fue de r = 0.96. Se observa también que para los tiempos de 15 s y 30 s se obtiene un mismo nivel de crecimiento del 2.5% con respecto a las semillas sin radiar, con valores de correlación muy cercanos a uno (0.99 y 0.97 respectivamente).

B. Raíz

Los resultados para la parte de la raíz de la plántula se analizan en la tabla y figura 6.

TABLA VI. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA PARA UNA

INTENSIDAD DE 3.6 mW/cm2. Tiempo Media

[mm] Mediana [mm]

Desviación Estándar [mm]

Media (%)

0 123.6 121.5 33.32 100 15 143.48 146 39.26 116.1 30 150.03 150 29.49 121.38 60 138.13 141 41.62 111.8 120 132.86 128.5 37.4 107.5 240 133.92 136 42.02 108.4

Fig. 6. Crecimiento de la raíz en semillas de trigo para

una I= 3.6 mW/cm2 Con respecto a la raíz se observa el máximo nivel de crecimiento encontrado para esta investigación; este nivel de estimulo se obtuvo para un tiempo de 30 s del 21.38% con respecto al nivel de control (r = 0.98). Otro estimulo importante en el crecimiento de la raíz fue del 16.1% para un tiempo de radiación de 15s (r = 0.97) y para un tiempo de radiación de 60 s del 11.8% (r = 0.95).

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III CONCLUSIONES De los datos obtenidos del porcentaje de crecimiento de la plúmula producidos por el láser IR con λ = 904nm, se puede observar que las semillas de trigo (Triticum aestivum L), se estimulan con este dispositivo láser de onda pulsada. Se observa que los resultados en la estimulación fueron mejores para la parte de la raíz, teniendo un estimulo máximo a una intensidad de 3.6mW/cm2 y un tiempo de 30s con un porcentaje de crecimiento del 21.38%. Los resultados para el crecimiento de la raíz son muy importantes ya que una raíz bien desarrollada y ramificada en una etapa temprana garantiza la fijación de la planta al suelo, la absorción de agua, sales minerales, nutrientes del suelo proporcionado la energía necesaria para cumplir la función de transporte de micronutrientes al resto de la planta. Estos resultados convierten a la bioestimulación con láser pulsado de longitud de onda de 904nm y ancho de pulso de 200ns en una opción viable y barata para mejorar la calidad de la semilla de trigo (Triticum aestivum L) y viable para favorecer que las plántulas se fijen a la tierra en menor tiempo, y así obtener abundantes cosechas del cultivo deseado.

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