Técnicas Experimentales en Óptica

1 – Fuentes de luz
Técnicas Experimentales en Óptica
2 – Detección de luz
3 – Ejercicios y experimentos
1 – Fuentes de luz

FUENTES DE LUZ : Criterios
• Espectro discreto ?? Espectro Continuo
• Emisión continua ?? Emisión pulsada / modulada
• Emisión coherente ?? Emisión incoherente
(Gp:) · Monolínea
· Multilínea

• Mecanismos en el rango óptico:
Transición electrónica ?? Aceleración de cargas libres
(cargas ligadas)
(Gp:) · Radiación sincrotrón
· Emisor dipolar; antena

• Además: Direccional o isótropa
Limitaciones: Mecánicas, Disipación, Medio (fibra?), etc
Posibilidad de modulación
(Gp:) · Zona del espectro?
· Potencia vs Potencia espectral

ESPECTRO CONTINUO: La luz solar
· Ajuste a una emisión de cuerpo negro
(Gp:) · Espectro solar y funciones de eficiencia bilológica:

Escala de E
Escala de l
(Gp:) 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 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
(Gp:) Longitud ˜ 2m
Grosor ˜ 200mm

· 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 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”).

· 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.
(Gp:) 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).