UNIDAD 6: Fuentes de radiación e instrumentación básica Flashcards
Mencione las fuentes artificiales que se utilizan normalmente en óptica para barrer los intervalos definidos en el espectro de radiación óptica.
Fuentes artificiales Fuentes IR Resistencias eléctricas Filamentos de tungsteno Cerámicas y Cuarzo Alambre de Nicromo Fuentes Visibles Luz incandescente (luz halógena de cuarzo) Luz fluorescente (tubos fluorescentes) LED Fuentes UV Lámpara de deuterio Lámpara de mercurio Lámpara de xenón Fuentes LASER
¿Cuales son las principales variables a tener en cuenta a la hora de describir una fuente artificial?
Características fundamentales de las fuentes:
correspondiente a la máxima radiación
Forma del espectro de emisión (continuo/picos)
Densidad de máxima potencia
Inercia Térmica
Vida media
Describa brevemente el principio de funcionamiento de un emisor de IR.
El principio de funcionamiento de un emisor IR está basado en un aumento de temperatura de un cuerpo por encima del cero absoluto. De esta manera se producen cambios en los estados de energía de electrones orbitales en los átomos y en los niveles vibracionales y rotacionales de los enlaces moleculares.
Describa brevemente el principio de funcionamiento de un emisor UV. ¿Cómo se los clasifica?
Se utilizan lámparas de descarga gaseosa. Se coloca un gas a alta presión y al vacío en una cavidad por donde circula corriente eléctrica. El gas se ioniza y la emisión depende de la mezcla gaseosa y de la presión que se alcance.
Se clasifican de la siguiente forma:
Baja presión UV-C (tiene picos)
Media presión UV-B (mas continua)
Alta presión UV-A (continuo)
A medida que se aumenta la presión aumenta la longitud de onda de emisión y el espectro se hace más continuo.
Identifique los distintos tipos de filtros estudiados.
Filtro de excitación (selección de la de excitación)
Filtro de emisión (remover la luz dispersa en la emisión)
Filtros neutros (densidad neutral, baja la intensidad para toda longitud de onda)
Filtros de corte
Filtros pasa banda
¿Qué es un elemento dispersor? ¿Para qué se los utiliza?
Un elemento dispersor es un elemento que descompone una radiación en sus diferentes longitudes de onda constituyentes, permitiendo trabajar con una longitud de onda determinada.
Pueden ser:
Prismas, donde existen cambios en el índice de refracción en el material, cambia la dispersión angular.
Rejillas de difracción: íneas o surcos en superficies pulidas, separadas por distancias del orden de .
Filtros sintonizables: tipo especial de dispersor, variando la frecuencia de una onda acústica puedo seleccionar la longitud de onda deseada.
Mencione los diferentes detectores normalmente utilizados para detectar la radiación óptica.
-Detectores IR Bolómetros Termopar (termopila) -Detectores Visible – UV: todos los abajo Detectores de canal simple --Fotomultiplicadores (PMT) --Fotodiodos --Detectores híbridos Detectores de múltiples canales --Vidicón --Matriz de fotodiodos --CCD --CMOS
Mencione y explique las diferentes interacciones que se pueden dar entre átomos y fotones en un sistema de dos estados energéticos E1 y E2. ¿Cómo están relacionadas, en el equilibrio térmico, estas interacciones?
Absorción: proceso que tiene lugar cuando en un átomo, inicialmente en un estado de baja energía, se produce una transición electrónica E1E2 por efecto de la absorción de un fotón de energía radiante E2-E1=h12.
Emisión espontánea: proceso en el cual el átomo, inicialmente en el estado excitado, experimenta una transición electrónica, E2E1 emitiendo un fotón de energía E2-E1=h12. Los fotones son emitidos en direcciones e instantes aleatorios y se superponen de manera incoherente.
Emisión estimulada: proceso en el cual el átomo, inicialmente en un estado de excitación, por efecto de un fotón incidente de energía E2-E1=h12, es forzado a realizar una transición electrónica, emitiendo un segundo fotón idéntico en fase y dirección y estado de polarización al primero. El resultado son dos fotones de la misma energía, viajando en la misma dirección y que superponen sus efectos. En este caso al ir avanzando la onda en un conjunto de átomos de estado excitado, se produce un efecto netamente constructivo de manera que los fotones se suman de manera coherente.
Para una determinada densidad de radiación incidente sobre el sistema de átomos, las emisiones estimuladas son igual de probables que las absorciones.
En condiciones de equilibrio termodinámico, el número de emisiones estimuladas es muy poco significativo en comparación con el de emisiones espontáneas.
Defina lo que se conoce como inversión de población. Explique los esquemas de 3 niveles y 4 niveles. Determine diferencias y/o semejanzas entre ambos.
La condición N2>N1 es una condición de no equilibrio, donde mas moléculas están en el estado de energía mas alta (excitado) que en el estado fundamental, es conocida como inversión de población.
Para conseguir esta situación hay que suministrar energía al medio, excitando los átomos para que ocupen los niveles de energía superior E2. Este proceso de excitación se conoce como bombeo del medio activo. El proceso de bombeo rompe la situación de equilibrio termodinámico, produciendo una inversión de población en el medio y convirtiéndolo en un amplificador óptico.
Esquema de bombeo de 3 niveles: inicialmente la distribución de población de los estados atómicos es la que se muestra en la parte (a) de la figura y corresponde a la situación de equilibrio termodinámico. Si se ilumina intensamente la colección de átomos puede tener lugar un gran número de transiciones al estado de energía superior E2. De ahí decaen al nivel metaestable E1 que se caracteriza por tener baja probabilidad de transición a estados de menor energía.
Con un bombeo suficientemente intenso, un número importante de átomos en el estado base pueden ser bombeados al nivel E2.
La inversión de población se produce cuando la población E1 supera la del estado fundamental de energía E0 (N1>N0).
Para conseguir esta inversión fácilmente, la transición de E2 a E1 debe ser rápida y el estado de energía E1 ser metaestable. Si estas condiciones se cumplen los átomos en el estado fundamental se bombean rápidamente a E1, donde tienden a acumularse.
squema de bombeo de 4 niveles: a diferencia del anterior se reduce significativamente las necesidades de bombeo. Si los tiempos de vida media de las transiciones 32 y 10 son cortos y el da la 21 es largo, puede conseguirse y mantenerse una inversión de población con sólo un bombeo moderado.
Las poblaciones E3 y E1 permanecen esencialmente inalteradas por efecto del bombeo. Solo un pequeño número de átomos necesita ser añadidos a la población del nivel de energía E2 para hacer que N2>N1.
Indique cuáles son los elementos fundamentales de un generador laser y explique cada uno de ellos.
Requerimientos básicos de un laser:
Medio activo: unidades estructurales (átomos, iones, moléculas) con niveles de energía disponibles para la acción laser. Un átomo o una molécula puede excitarse mediante un mecanismo de bombeo adecuado para crear inversión de población de manera que los fotones emitidos espontáneamente en algún sitio del medio estimulen la emisión en otros sitios a medida que se desplaza.
Fuente energética de excitación (bombeo): con el fin de producir una inversión de población. Puede ser una cámara de descarga eléctrica, una fuente de alimentación eléctrica, una lámpara o incluso otro láser.
Cavidad óptica: para introducir una retroalimentación óptica y mantener la ganancia del sistema por encima de todas las pérdidas. Dos reflectores, también llamados espejo retrovisor y acoplador de salida, para reflejar la luz en fase (determinada por la longitud de la cavidad) de modo que la luz se amplifique adicionalmente por el medio activo en cada ida y vuelta (amplificación multipunto). La salida se transmite parcialmente a través de un acoplador de salida parcialmente transmisor desde donde la salida sale como un rayo láser (por ejemplo, R = 80% como se muestra en la Figura 5.1).
Mencione algunos medios activos y determine qué tipo de bombeo se requieren para los mismos.
El medio activo puede ser: Gas Líquido Sólido Unión P-N en un semiconductor En los láseres de gas y en los de semiconductor el bombeo es de tipo eléctrico, mientras que en los láseres de estado sólido y líquido, el bombeo suele ser de tipo óptico mediante lámparas flash u otros láseres.
Mencione cuáles son los tipos de pérdidas que puede haber en un sistema laser
Los tipos de pérdidas que puede haber en un sistema laser son:
Transmisión de los espejos
Absorción y dispersión en los espejos
Perdidas por difracción en los espejos
Absorción por el medio activo
Dispersión por inhomogeneidades del medio activo
¿Cuándo se dice que un resonador óptico es estable y/o inestable?
Se supone un rayo viajando en el interior de la cavidad con una pequeña inclinación respecto a la del eje óptico. Si después de sucesivas reflexiones en los espejos diverge y sale del resonador se concluye que éste tiene altas pérdidas y se denomina resonador inestable.
Si por el contrario el rayo permanece en las proximidades del eje óptico del resonador, este tendrá bajas pérdidas y se denominará resonador estable.
¿A qué se define como modo de una cavidad óptica? ¿Cómo se los puede clasificar?
Se definen como modos de una cavidad óptica a todas aquellas distribuciones estacionarias de campo electromagnético que cumplen con las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de contorno de la cavidad.
Se los puede clasificar en:
Modo longitudinal: el cambio de fase total de la onda, al realizar un camino completo de ida y vuelta debe ser 2πq, siendo q un número entero. Esto equivale a decir que la forma de onda es una onda estacionaria. Esto se cumple con que q2=L en funcion de la frecuencia queda v=qC2L
Modo transversal: la distribución de campo en una sección trasversal de la cavidad debe reproducirse a sí misma después de un camino completo de ida y vuelta
La salida LASER en general es multimodo.
Qué condiciones deben cumplir los modos en una cavidad?
En una cavidad estable se deben cumplir dos condiciones:
El cambio de fase total de la onda, al realizar un camino completo de ida y vuelta debe ser 2πq, siendo q un número entero. Esta condición es equivalente a afirmar que la onda debe ser una onda estacionaria. El número q se conoce como índice de modo longitudinal.
La distribución de campo en una sección transversal de la cavidad debe reproducirse a sí misma después de un camino de ida y vuelta.
El modo longitudinal va a influir en la monocromaticidad y longitud de coherencia de la emisión laser.
El modo transversal va a influir en el diámetro del haz de salida, su divergencia y la distribución de intensidad en una sección transversal.
