1 – Fuentes de 1 – Fuentes de luzluz

Técnicas Experimentales en Técnicas Experimentales en Investigación : ÓpticaInvestigación : Óptica

F. GonzálezF. MorenoJ.M. Saiz2007-08

2 – Detección de luz2 – Detección de luz

3 – Ejercicios y 3 – Ejercicios y experimentosexperimentos

1 – Fuentes de luz1 – Fuentes de luz

FUENTES DE LUZ : Criterios

• Espectro discreto Espectro Continuo

• Emisión continua Emisión pulsada / modulada

• Emisión coherente Emisión incoherente

· Monolínea· Multilínea

• Mecanismos en el rango óptico:Transición electrónica Aceleración de cargas libres

(cargas ligadas) · Radiación sincrotrón· Emisor dipolar; antena

• Además: Direccional o isótropaLimitaciones: Mecánicas, Disipación, Medio (fibra?), etcPosibilidad de modulación

· Zona del espectro?· Potencia vs Potencia espectral

ESPECTRO CONTINUO: La luz solar

· Ajuste a una emisión de cuerpo negro

· Espectro solar y funciones de eficiencia bilológica:

Escala de EEscala de

Absorción del Agua

Lámpara incandescente

• Funcionamiento:

• Espectro:

· Filamento como parte de un circuito· Dif. de Potencial Mov. de e- libres

Choques con átomos metal (calientamiento [2500K], vibración red)Excitación y desexcitación de e- ligados emisión de luz

· Bulbo de vidrio con vacío o gas (Ar)· Tungsteno (W): Alto punto de fusión (casi 3700K)

Vacío: evita combustión ; Vacío+Temp Alta evaporación de WÁtomos de W en trayectorias rectas: Desintegración del filamento + Depósito sobre el bulboArgon en en bulbo: Reduce el recorrido libre medio (colisiones) Más vida del filamento

Longitud ≈ 2mGrosor ≈ 200m

· Proporcional al de un cuerpo negro a la misma temperatura (cuerpo gris)· Máximo de emisión en IR para las temperaturas de una bombilla· Comparación con el espectro solar (centrado el visible, ¡claro!)· El tono rojizo aún es más acusado en una vela:

P. Justo antes de fundirse una bombilla da una luz muy clara ¿por qué?

Lámpara halógena

• Ciclo de recombinación:

1.- Los átomos de W se difunden desde el filamento (≈ 3300K) hacia la pared (≈ 1000K)

2.- Junto a la pared se forman moléculas de un oxihaluro de tungsteno a esas temperaturas

3.- El vapor oxihaluro circula; Mecanismos de difusión+convección lo conducen al filamento

4.- Las temperaturas del filamento rompen la molécula.El W se deposita, y el O y el halógeno se disipan en el bulbo.

• Gas halógeno en el bulbo: I, F, y últimamente Br: +Duración+Eficiencia en visible

· Necesidad de una protección de cuarzo (el vidrio se fundiría).

· Posibilidad de “acercar” la pared del bulbo (bombillas más pequeñas).

· Como la temperatura es mayor, el máximo es “menos IR”.

- Más proporción de luz (respecto a calor) que en una bombilla normal.

- El reparto espectral proporciona un tono más blanco, azulado a veces.

• Más temperatura de filamento… y de pared

P. ¿Tiene alguna influencia el material (cuarzo) sobre el espectro de emisión?

Circuitos de descarga en gases

· Supongamos que una fuente de tensión constante Ve

consigue una tensión V entre dos electrodos, inmersos en un cierto gas de presión controlable.

· Al incrementar desde 0 la tensión, la corriente que circula a través de ese gas va variando:

· Algunas de esas zonas corresponden a regímenes de emisión de luz. Según el voltaje aplicado, la distancia entre electrodos, el tipo de gas y su presión, estaremos ante uno u otro tipo de lámpara.

Circuitos de descarga en gases

· A-B: Pequeña corriente creada por cargas espurias (fuentes externas, rayos cósmicos). Al

aumentar V aumenta I porque mejora la eficiencia

· B-C: No hay más cargas espurias. A partir de B se satura la corriente al aumentar V

· C-D: Al llegar a C, la energía alcanzada por esos pocos e- es suficiente para ionizar átomos

de gas. Si aumenta V los e- secundarios pueden producir avalancha, con lo que I aumenta

exponencialmente, pero aún es bajo [I : 10-10 , 10-5]. (Zona de descarga ‘Townsend’)

· D: Ruptura; Los choques deiones sobre el cátodo puedenliberar sus e-, que pasan acircular. Entre D y G, I puedeaumentar de 4 a 8 órdenes demagnitud [I : 10-4 , 10-1].El gas brilla por desexcitaciónde cargas en el medio gaseoso(descarga “glow”).

· D-E: La resistencia el gas disminuye por presencia de cargas del cátodo: V decae mucho.

· E-F: I aumenta al aumentar Ve, pero V es constante. ¿Cómo puede ser esto? A medida que

aumentamos Ve aumenta el área a través de la cual fluye la corriente, sin cambio de la

densidad de corriente j.

· F-G: Cuando todo el área del cátodo participa en la descarga, al aumentar Ve aumenta I a

costa de aumentar j, y V también aumenta. Sigue habiendo brillo, pero V ya no es cte.

(Descarga ‘glow anómala’). Si se retrocede de F a C se observa un ciclo de histéresis.

Circuitos de descarga en gases

· G- : Arco; Cuando la corriente alcanza valores típicos del orden del Amp, la descarga “glow” precipita en una “descarga de arco”. En esta zona de la curva se produce una fuerte caída de V y un aumento de I debido a esta ionización en masa del gas.

Circuitos de descarga en gases

· La tensión de ruptura depende del producto pd (Presión del gas x Distancia entre electrodos). Para los distintos gases se obtienen las llamadas “curvas de Paschen”.

· De la curva anterior se deduce para arrancar un arco hace falta superar una tensión (de ruptura) mucho más alta que la necesaria para mantenerlo después.

Lámpara de arco (‘short arc’)

• Funcionamiento:· Se establece una corriente entre dos electrodos, aplicando alto V y se hacen circular

grandes corrientes (creamos un circuito en el que una parte es gas ionizado)

· Para facilitar la formación del arco a presiones moderadas los electrodos están cerca, lo que facilita el sobrepasar la corriente de ruptura.

· Los e- saltan de cátodo a ánodo y en el camino ionizan átomos del gas. La recombinación y desexcitación de los átomos produce la emisión de luz

· El espectro tiene forma de un continuo salpicado de líneas debidas a transiciones. El gas determina el espectro de emisión de la lámpara.

· Anodo y Cátodo sufren desgaste (por acción de e- e iones respectivamente)

· Potencias altas (5W - 250W). (Es difícil mantener un arco a potencias bajas)

• Las más comunes:· Las primeras fueron de aire, con electrodos de carbono. Iluminación pública en 1878

(Central eléctrica anterior a la creada para las bombillas de Edison)

· Lámpara de arco de Mercurio

· Lámpara de arco de Xenon

· Lámpara de arco de Deuterio

Lámpara de arco (‘short arc’)

· Un método sencillo para iniciar un arco es poner en contacto los electrodos y hacer pasar una corriente intensa (10A) a través de ellos. Se calienta el punto de contacto. A continuación se separan y se forma entre ellos un arco. Las lámparas no funcionan así por lo general, sino que salvan la tensión de ruptura.

· En un arco abierto al aire libre la temperatura sobre el cátodo alcanza unos 3800K (antiguamente para mantener el arco había que “alimentar” los electrodos para compensar el desgaste). Ahora los arcos de Hg y Xe tienen duraciones de varios cientos de horas sin mantenimiento

· Un tipo de lámparas de arco muy extendido son las “flashlamps”, o arcos que emiten pulsos de luz muy intensos, con un ritmo de repetición constante (hasta el ms de rápido).

· También llamadas fuentes “Pointolite”. Son arcos, pero no emite el gas, sinó uno de los

electrodos.

Fuentes puntuales por electrodo incandescente

· Durante mucho tiempo, hasta la llegada del arco corto de Hg y Xe, fueron las fuentes

“puntuales” y potentes por excelencia.

· Una resistencia ayuda a que haya e- en el medio para el arranque, y reduce la V de ruptura)

Lámpara “fluorescente”

• Funcionamiento:- Son en realidad lámparas de descarga “glow” de mercurio a baja presión: Los e-

producen excitaciones del Hg, que emite al desexcitarse, sobre todo en el UV. Por eso

la parte interna del tubo de descarga se recubre con compuestos fluorescentes

absorbentes/emisores de luz.

P. ¿Por qué crees que un tubo sin “fósforo” interno se vende como lámpara germicida?

- Los electrodos tienen forma de resistencia, ya que antes

de la descarga se hace pasar corriente por ellos. Así

desprenden e- que facilitan el arranque de la

descarga.

- El espectro de emisión del material fluorescente

(frecuentemente llamado fósforo) depende de su

composición, que selecciona el fabricante, y resulta

una combinación de continuo salpicado de líneas

repartida fundamentalmente en el visible.

- El gas de Hg proviene de una gota que pasa a fase

gaseosa. Con el tiempo se deposita sobre la pared,

cuyo polvo es muy contaminante en una lámpara vieja.

Lámpara “fluorescente”

- Eficiencia : Debido a la conversión UV Vis, las lámparas fluorescentes son entre 4

y 6 veces más eficientes que las incandescentes, para un consumo eléctrico dado

(Ejemplo: un tubo de 40 watios sustituye a una bombilla de 150). Sin embargo, emiten

poca luz por volumen de emisión, por lo que se necesita más volumen (tubos largos).

- Flickering : Es una oscilación rápida de la emisión de luz (a una frecuencia doble de

la del circuito AC de alimentación). El ojo no lo nota pero puede producir efecto

estroboscópico si sólo se usa esa lámpara, lo cual es muy peligroso al manejar

maquinaria (efecto de inmovilidad en sistemas rotantes: sierras que parecen paradas,

etc). En las lámparas de incandescencia existe una inercia térmica que reduce la

brusquedad de la fluctuación, haciendolas más seguras. [En los fluorescentes compactos

este efecto se ha reducido al multiplicar la frecuencia de funcionamiento]

- Espectro : Algunas combinaciones de fósforo imitan el espectro la luz diurna.

- Arranque : El circuito de alimentación es importante, por la presencia de una V de

ruptura y por la necesidad de controlar la I (un arco quemaría los electrodos).

Lámpara Fluorescente Compacta (CFL)

• Básicamente son fluorescentes en los que:

- Se han utilizado fósforos modernos (aluminatos de tierras raras) que aguantan

más temperatura y permiten hacer tubos muy estrechos.

- Se ha doblado/arrollado el tubo: U-shape, espiral, y otras (Compacta)

- Se han adaptado las conexiones al formato de un casquillo convencional

- Se ha configurado el circuito para que el arranque sea rápido y estable

(cambiando el balasto magnético por uno electrónico: se enciende

inmediatamente y no pega fogonazos antes de arrancar)

• Formas variadas, gran crecimiento (Ej: Australia)

Lámpara de Sodio a alta presión (HPS)

• Es una variación de las lámparas tipo “glow”, en la que las colisiones

del gas producen el ensanchamiento de la emisión de los átomos de Na excitados:

- Hay autoabsorción de la línea principal del Na (589nm). [Trapping]

- La emisión es intensa porque la alta densidad proporciona gran cantidad de luz por u. de área

- La eficiencia lm/W es altísima (1.- conversión eléctrica a radiación; 2.-Emisión Vis amarilla)

- Es la iluminación más frecuente en calles, túneles, etc.

- La descarga arranca con una descarga de arco de gas de Xe que calienta el tubo

El Na se introduce en forma de amalgama de Hg, y al calentarse pasa a fase vapor

- El Na es corrosivo y más a alta presión. El tubo es de una cerámica de alúmina traslúcida.

- El espectro amarillento produce sensibilidad al color por su anchura y por las líneas de Hg

Diodos de luz blanca

• Gran desarrollo y expansión en todos los ámbitos. Son la fuente “de moda”.

- Espectro ensanchado (respecto de la forma tradicional del diodo)

gracias a los fósforos de revestimiento (El pico azul de 460nm es debido al

diodo semiconductor Nitruro de Galio. El ancho pico amarillo es debido al fósforo

de recubrimiento. La distribución resultante da el aspecto blanquecino final.

- Gran eficiencia de conversión.

- Potencias aún modestas, del orden de la candela (pero en claro crecimiento)

- Evolución de las aplicaciones (paso del LED-Indicador al LED-Iluminador

- Aplicaciones: Señalización, Iluminación en microscopios

- Modulación: En LEDs normales: hasta el ns. P. ¿Serán estos igual de rápidos?

Pantalla de Diodos + Grande del mundo – 2007 (Las Vegas)

ESPECTRO DISCRETO: Lámparas de descarga (‘glow’)

• Similar a una lámpara de arco pero:- Glow: Intervienen las cargas del electrodo (su geometría es importante).

El gas se excita, pero no se ioniza. Espectro de emisión con líneas.

Menores corrientes eléctricas entre electrodos

- Poca concentración de la emisión de luz (mayor volumen de desexcitación)

- Normalmente mayor distancia entre electrodos que en las lampara de arco

• Ejemplos comerciales:

Neon glow Argon glow

-Fines estéticos

-Fines científicos(después)

Cadmio Osram

ESPECTRO DISCRETO: Lámparas “espectrales”

• Son ante todo lámparas de laboratorio estables, que sólo emiten las frecuencias asociadas a determinadas transiciones.

- Históricamente: El material deseado se echaba (en forma salina) sobre una llamaSe fabricaba un electrodo de ese material y se formaba un arco

- Desde 1940’s: Una descarga con el material en forma gaseosa (eficiente y

estable) • Ejemplos:

Cadmio Philips

Cadmio

Hg Osram

Mercurio

Hg Philips

Zn Osram

Zinc

Helio Philips

Helio

Kr Philips

Kripton

Ne Philips

Neon

K Osram

Potasio

Neon

Kripton

Rb Osram

RubidioRubidio

Sodio Philips

SodioSodio

SodioOsram

Lámparas de cátodo hueco-HCL (tipo ‘glow’)

• Son lámparas en las que la forma del cátodo (en forma de copa) permite un

volumen interior en el que se produce una descarga glow muy homogénea

y estable

- La particularidad es que el gas observado está producido por los átomos

desprendidos del material del propio electrodo (o de un material colocado en

él) cuando golpean los átomos de Ar+ o Ne+ que han sido ionizados por e-

acelerados en el tubo.

• Gran ventaja:

- Proporciona una fuente monocromática con una anchura espectral tan baja como 5·10-3nm

(menor de lo que un monocromador convencional puede conseguir)

- Se observa (cerca del cátodo) la emisión de átomos del

cátodo en fase gaseosa y excitados por colisiones

- El ánodo no está en el otro extremo del tubo, sino junto

al cátodo. En la dirección del tubo se coloca una simple

ventana de vidrio (o cuarzo) para que salga la luz

-Utiliza fuentes de corriente continua de baja potencia.

Diodos emisores de luz (LED)

• LED: Unión p-n por la que se hace circular corriente (e- en dirección np). Los e- de la banda

de valencia de n se recombinan con los huecos de p. Se emite luz, cuya depende del gap.

- La energía de transición de los materiales determina la emisión. Durante mucho tiempo los diodos fueron

rojos, luego llegaron los amarillos, verdes, azules y UV (y ya vimos el de luz blanca, una variante del azul).

- La emisión de luz se puede hacer desde el borde o desde toda la superficie de unión (varias configuraciones).

- La potencia de los diodos ha aumentado muchísimo (arrays, barras, pila de arrays o stacks >103 W cw !!)

- El proceso de recombinación compite con otros procesos (producción de fonones).

La eficiencia ha evolucionado muchísimo.

- Las aplicaciones incluyen: indicadores, iluminadores, medio activo de los láseres de diodo…

- La anchura espectral es considerable, pero se reduce mucho si se utiliza como medio activo y cavidad

resonante de un laser (diodos láser)

Diodos emisores de luz (LED)

• Direccionalidad:

- Los LEDs indicadores suelen ser bastante direccionales. Por eso a veces consiguen un valor alto

de candelas [= lumen/strad]. (Por ejemplo 50% de la energía en un cono de 8º)

- Los LEDs iluminadores emiten en un gran ángulo sólido Pocas candelas ¡pero aumentando!

10 cd 4 cd 3 cd 1 cd

• Ejemplo: Chunfa Optoelectricity, Shenzhen, China.

- Diodos

direccionales:

- Diodo iluminador (blanco)

(Distribución Lambertiana)

60 cd

3 cd (¡mucho!)

Superhighbrightness LED CFL-518YW4CBP3,2V ; 25mA[-20ºC ; +75ºC] (similar)

F. GonzálezF. MorenoJ.M. Saiz2007-08

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3 – Ejercicios y 3 – Ejercicios y experimentosexperimentos

1 – Fuentes de luz1 – Fuentes de luz

3 – Ejercicios y 3 – Ejercicios y experimentosexperimentos

P. ¿Qué fuente escogerías para realizar cada uno de los siguientes experimentos?

1. Una fuente para un espectrofotómetro UV - Vis

2. Fuentes para realizar medidas interferenciales por cuenta de franjas de Fizeau

3. Un fuente para estudiar estructura fina de niveles atómicos

4. Búsqueda de resonancias de scattering en el rango IR - Vis

5. Estudio de decaimientos para fluorescencia de moléculas (de ms)

6. Fuente para iluminar vegetales en crecimiento

Observación con espectroscopio manual

1. Lámparas incandescentes

2. Lámparas fluorescentes

3. Lámparas espectrales

4. Lámparas de arco alta presión

5. Diodos indicadores

6. Pantalla monitor

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Xe – Arc[ ¡ 15KW ! ]

( Un rayo es un arco natural )

Propuesta de Hamamatsu para una reducción del desgaste convencional en

el cátodo de una lámpara de Xe

· Lámpara de arco de Xenon- Spot más localizado que la Hg

(posibilidad de un punto de luz externo)

- Espectro con menos picos que Hg Espectro del Xe frente al diurno

· Lámpara de arco de Deuterio- Espectro continuo de luz en el UV [160-400nm]

- Espectro en UV producido por la desexcitación de la molécula D2 (los niveles

de excitación, junto con la densidad de estados vibracionales es el origen

del continuo.

- Pequeña ventana de emisión: fuentes muy puntuales (1mm o menos)

- V bajos (típico <10V), pero con V de ruptura alto (>100V). I moderados (típico 1A)

Menos filamento Más Resistencia Más Temp Distribución más azulada

Más Temp Más Evaporación del filamento Más R Más Temp Funde

· Potencia consumida y envejecimiento de la lámpara: - Lámpara estabilizada en voltaje: -Lámpara estabilizada en corriente:

R

VW

2

RIW 2

- Lámpara vieja R Distinto consumo en V cte (el más normal) y en I cte.

Ejemplo:Lava

Arco en aireElectrodos de C

Lámpara de arco (s.XIX-XX)

Algunos espectros de fluorescente

Osram Philips

Sylvania

Perfiles de los espectros de emisión: Bombilla, Fluorescente, luz diurna

· El fluorescente clásico, que está cayendo en desuso, tiene un mecanismo de arranque especial.

Arranque de un fluorescente

1.-Un circuito AC se puede cerrar bien a través del gas, bien a través de un cable que incluye un interruptor llamado “starter”.

2.-Al conectar el circuito la corriente va por el starter, que está cerrado.

3.-Este circuito paralelo no incluye el gas, pero sí los dos electrodos (filamentos) extremos, que al pasar la corriente se calientan, emitiendo e- en el tubo de descarga.

4.-A su paso por el starter la corriente crea un pequeño arco (ya que el starter contiene en sí mismo un pequeño arco corto). Este arco calienta el electrodo del starter, que es especial (bimetálico) y se “estira” produciendo el contacto con el otro arco. Entonces la corriente pasa por es starter sin arco (que producía el calor), el electrodo se enfría y vuelve a separarse de su vecino, abriendo el circuito. Para entonces las cosas no son como al principio: tenemos cargas en el tubo fluorescente (mezcladas con el vapor de Hg).

Arranque de un fluorescente5.-Con el circuito del starter abierto, la corriente tiene la oportunidad de circular por el gas ionizado, para lo cual sólo tiene que salvar la corriente de ruptura que precede al paso de corriente por el tubo principal.

6.-El pico de corriente necesario se consigue con un “balasto”, una autoinducción que genera un pico de corriente en el momento en que se corta la corriente bruscamente.

7.-El pico de corriente, si está correctamente ajustado, permite arrancar la descarga en el tubo principal, que presenta ahora menos resistencia que el circuito paralelo del starter.

 Starter con su pequeña lámpara de descarga.

8.-La corriente y los impactos de los iones mantendrán los electrodos calientes y la desexcitación del gas de mercurio producirá emisión de luz. El proceso completo dura unos segundos.

Hoy día este arranque se sustituye por otros más robustos que utilizan un balasto electrónico (no una autoinducción magnética) y el resultado es un arranque instantáneo.

 Starter, balasto y tubo de descarga, en su circuito.

9.-Sin el starter la luz da flashes, pero no se hace estable. Además, una vez arrancada la lámpara, el balasto hace de limitador (no se forma un arco entre los electrodos).

Eficiencia de la lámpara HPS : Comparativa

Fluorescente

Lámpara Na de Alta Presión

Desarrollo de la lámpara HPS en General Electric

William Louden, Kurt Schmidt y Ernest Martt,frente a la máquina de vacío con la quedesarrollaron la lámpara Lucalox, 1962.

"He was destroying things as soon as they were made."-- William Louden, Ingeniero

"He couldn't make them tough enough."-- Kurt Schmidt, Físico

- Perseguían un material que soportase la corrosión del Na a alta presión.

- Probaron materiales, adhesivos (Niobio), en duras condiciones mecánicas, de

Potencia, V, T, vacío.- Los test fueron tan fuertes que necesitaron construir máquinas especiales.- Louden llegó a enfadarse por la forma en que Schmidt rompía el sellado de la

lámpara con sus pruebas (destinadas precisamente a eso).

- Entró con fuerza en el mercado en el año 1968

Espectro de una lámpara HPS: Comparativa

“Carrera” de la eficiencia de los LEDs