1 – Fuentes de luz

1. Técnicas Experimentales en Investigación : Óptica 1 – Fuentes de luz 1 – Fuentes de luz 2 – Detección de luz 3 – Ejercicios y experimentos F. González F. Moreno J.M. Saiz 2007-08

2. FUENTES DE LUZ : Criterios · Monolínea · Multilínea · Zona del espectro? · Potencia vs Potencia espectral · Radiación sincrotrón · Emisor dipolar; antena • Espectro discreto  Espectro Continuo •Emisión coherente  Emisión incoherente •Emisión continua  Emisión pulsada / modulada • Mecanismos en el rango óptico: Transición electrónica  Aceleración de cargas libres (cargas ligadas) •Además: Direccional o isótropa Limitaciones: Mecánicas, Disipación, Medio (fibra?), etc Posibilidad de modulación

3. · Espectro solar y funciones de eficiencia bilológica: Absorción del Agua ESPECTRO CONTINUO: La luz solar · Ajuste a una emisión de cuerpo negro Escala de E Escala de l

4. Longitud ≈ 2m Grosor ≈200mm Lámpara incandescente • Funcionamiento: · 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 W Átomos de W en trayectorias rectas: Desintegración del filamento + Depósito sobre el bulbo Argon en en bulbo: Reduce el recorrido libre medio (colisiones)  Más vida del filamento • Espectro: · 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?

5. Lámpara halógena • Gas halógeno en el bulbo: I, F, y últimamente Br: +Duración +Eficiencia en visible • 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. • Más temperatura de filamento… y de pared · 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. P. ¿Tiene alguna influencia el material (cuarzo) sobre el espectro de emisión?

6. Circuitos de descarga en gases · Supongamos que una fuente de tensión constante Veconsigue 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.

7. 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 de iones sobre el cátodo pueden liberar sus e-, que pasan a circular. Entre D y G, I puede aumentar de 4 a 8 órdenes de magnitud [I : 10-4 , 10-1]. El gas brilla por desexcitación de cargas en el medio gaseoso (descarga “glow”).

8. Circuitos de descarga en gases · 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. · 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.

9. Circuitos de descarga en gases · 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. · La tensión de ruptura depende del producto pd(Presión del gasxDistancia entre electrodos). Para los distintos gases se obtienen las llamadas “curvas de Paschen”.

10. 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

11. 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).

12. Fuentes puntuales por electrodo incandescente · También llamadas fuentes “Pointolite”. Son arcos, pero no emite el gas, sinó uno de los electrodos. · 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)

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

14. 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).

15. 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)

16. 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

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

18. Neon glow Argon glow 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: • Fines estéticos • Fines científicos • (después)

19. Cadmio Cadmio Philips 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 llama Se 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:

20. Mercurio Hg Philips Hg Osram Zinc Zn Osram Helio Helio Philips

21. Kripton Kripton Kr Philips Neon Neon Ne Philips Potasio K Osram

22. Rubidio Rubidio Rb Osram Sodio Sodio Sodio Osram Sodio Philips

23. 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. - 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. • 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)

24. Diodos emisores de luz (LED) • LED: Unión p-n por la que se hace circular corriente (e- en dirección np). Los e- de la banda de valencia de n se recombinan con los huecos de p. Se emite luz, cuya l 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)

25. 10 cd 4 cd 3 cd 1 cd 60 cd Superhighbrightness LED CFL-518YW4CBP 3,2V ; 25mA [-20ºC ; +75ºC] 3 cd (¡mucho!) (similar) 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! • Ejemplo: Chunfa Optoelectricity, Shenzhen, China. - Diodos direccionales: - Diodo iluminador (blanco) (Distribución Lambertiana)

26. Técnicas Experimentales en Investigación : Óptica 1 – Fuentes de luz 3 – Ejercicios y experimentos 3 – Ejercicios y experimentos F. González F. Moreno J.M. Saiz 2007-08

27. 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

28. 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

29. Técnicas Experimentales en Investigación : Óptica F. González F. Moreno J.M. Saiz 2007-08

30. ( Un rayo es un arco natural ) Xe – Arc [ ¡ 15KW ! ]

31. Propuesta de Hamamatsu para una reducción del desgaste convencional en el cátodo de una lámpara de Xe

32. (posibilidad de un punto de luz externo) Espectro del Xe frente al diurno · Lámpara de arco de Xenon - Spot más localizado que la Hg - Espectro con menos picos que Hg

33. · 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)

34. Menos filamento  Más Resistencia  Más Temp  Distribución más azulada Más Temp  Más Evaporación del filamento  Más R  Más Temp  Funde Ejemplo: Lava · Potencia consumida y envejecimiento de la lámpara: - Lámpara estabilizada en voltaje: -Lámpara estabilizada en corriente: - Lámpara vieja  R Distinto consumo en V cte (el más normal) y en I cte.

36. Arco en aire Electrodos de C Lámpara de arco (s.XIX-XX)

37. Algunos espectros de fluorescente Osram Philips Sylvania Perfiles de los espectros de emisión: Bombilla, Fluorescente, luz diurna

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

39. Arranque de un fluorescente 5.-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. 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. 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). 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.

40. Fluorescente Lámpara Na de Alta Presión Eficiencia de la lámpara HPS : Comparativa

41. Desarrollo de la lámpara HPS en General Electric William Louden, Kurt Schmidt y Ernest Martt, frente a la máquina de vacío con la que desarrollaron 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

42. Espectro de una lámpara HPS: Comparativa

43. “Carrera” de la eficiencia de los LEDs