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Fuentes de luz y detectores 1/2

Notas sobre fuentes de luz y detectores Departamento de Óptica, Universidad Complutense, marzo 2009

Esquema básico de emisión de luz: átomos previamente excitados se desexcitan empleando toda o parte de su energía de excitación en la emisión de luz. Hay dos mecanismos distintos de desexcitación con emisión de luz: emisión espontánea (independiente de si hay luz en el entorno del átomo excitado) y emisión estimulada (influida por la existencia de luz en el entorno del átomo excitado). En el visible normalmente la más probable es la emisión espontánea, salvo que la cantidad de luz en las proximidades del átomo sea muy elevada. En cualquiera de los dos casos se obtienen distintas fuentes de luz dependiendo del entorno en el que estén los átomos (sólido, líquido, gas, en una cavidad, con/sin iluminación, etc.) y del modo en el que se exciten los átomos (calentamiento, colisiones, iluminación, inyección, etc.) Fuentes de luz convencionales. Funcionan por emisión espontánea. Son las lámparas de incandescencia (bombillas) y las lámpara de descarga en gases (fluorescentes, lámparas de sodio o mercurio como las del alumbrado público, pantallas de plasma, etc). En ambos casos los átomos son excitados por colisiones con los electrones de una corriente eléctrica. En el caso de las bombillas el espectro emitido es semejante al de un cuerpo negro, con temperaturas de algunos miles de grados, mientras que en los gases el espectro suele ser una serie de picos más o menos anchos dependiendo de la temperatura, concentración el gas, etc.

Espectro del cuerpo negro

Espectro de lámpara de descarga

LED (Light Emiting Diode). En un sólido los niveles energéticos electrónicos forman bandas: la banda de conducción (nivel excitado) y la banda de valencia (nivel fundamental). Dependiendo de la composición se puede tener la banda de valencia llena y algunos electrones en la banda de conducción (se dice semiconductor tipo n), o bien algunos niveles libres (llamados huecos) en la banda de conducción (se dice semiconductor tipo p). Si se juntan dos de estos sólidos se forma un diodo y los electrones en la banda de conducción del semiconductor tipo n se desexcitan por emisión espontánea pasando a ocupar los niveles libres en la banda de valencia del semiconductor tipo p. Para mantener la emisión de luz de forma continua se aplica un pequeño voltaje en los extremos del diodo. Las frecuencias emitidas dependen de la separación entre la banda de conducción y la de valencia y de la distribución de electrones en la banda de conducción. Como suelen ocupar un intervalo de niveles del orden de kBT (kB : constante de Boltzmann, T: temperatura) la anchura espectral δν de la luz emitida es del orden δν ≈ 2 kBT/h (h: constante de Planck) y δν ≈ 30 nm a temperatura ambiente. intensity

655nm

1.0 0.5

∆λ 24 nm

0 600

λ 650

Espectro LED rojo

700

Fuentes de luz y detectores 2/2 Láser (Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation). Entre las características más relevantes de esta fuente de luz están su potencia, monocromaticidad, direccionalidad. Estas características surgen de la combinación de dos factores: la emisión estimulada y la cavidad que suele alojar al medio emisor. El láser funciona por emisión estimulada: la presencia de luz estimula la emisión de más luz con las mismas características de la luz estimulante. Si la emisión estimulada supera la absorción y otras pérdidas se produce la amplificación de luz. Para ello es condición necesaria que el número de átomos excitados supere al número de átomos en el estado fundamental. Esta condición se denomina inversión de población y para conseguirla se debe comunicar energía al medio (bombeo) por encima de cierto umbral. Un ingrediente básico en muchos láseres es la cavidad. El medio emisor se limita en sus extremos por espejos para aumentar la densidad de luz en el entorno de los átomos y favorecer la emisión estimulada frente a la espontánea. Para que una onda luminosa pueda existir en la cavidad (es decir entre los espejos) ha de autoreconstruirse tras reflejarse en los espejos. Las ondas que verifican esta condición se denominan modos de la cavidad. Esta condición selecciona un número discreto de posibles frecuencias y direcciones de propagación. La elevada monocromaticidad y direccionalidad de algunos láseres se consigue debido a que la dinámica de la emisión estimulada establece la competencia entre los modos por apropiarse por emisión estimulada de la energía almacenada en la inversión de población, de forma que sólo sobreviven el modo o los modos de menores pérdidas.

Los detectores se pueden clasificar en dos grupos: térmicos y fotónicos. Los detectores térmicos se basan en la modificación de una propiedad material (por ejemplo la resistencia) con la temperatura, que a su vez depende de la potencia luminosa incidente sobre él. Se caracterizan por tener una respuesta similar en un intervalo espectral muy ampli, incluyendo el infrarrojo, y por ser más lentos. Ejemplos: termopares y termopilas, bolómetros, neumáticos y piroeléctricos. Los detectores fotónicos se basan en la conversión de fotones en pares electrón-hueco (promoción de un electrón de la banda de valencia a la de conducción) el seno de un semiconductor o en la extracción de electrones del seno de un metal (efecto fotoeléctrico). La detección consiste en la medida de la corriente eléctrica así generada, por ejemplo midiendo el voltaje en una resistencia en serie. Detectores fotónicos son los fotocátodos, fotomultiplicadores, diodos de unión p-n (fotodiodos) y fotoconductores. Entre los parámetros que caracterizan este tipo de detectores están la eficiencia cuántica (porcentaje de fotones convertidos en pares electrón-hueco), frecuencia de corte (mínima frecuencia de la luz que puede producir el efecto), y ganancia (número de portadores de carga generados por fotón). Vr (a) Electrode hυ > Eg

SiO2

R

p+

Iph

Vout

h+ e–

n E Antireflection coating

Electrode W

Fotodiodo

Depletion region

Fotoconductor

Bibliografía: S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics, Prentice Hall 2001