LÁSER INTRODUCCIÓN. U5-T1 Introducción - 1
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- Antonia Rubio Soto
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1 LÁSER INTRODUCCIÓN Ahora se abordará el análisis de los elementos particulares que se requieren en un sistema optoelectrónico empezando con el primer elemento de la cadena: la fuente de luz. Como ya se indicó, la invención del láser es quizá el punto más importante en el desarrollo de la optoelectrónica. Es dudoso que se hubieran presentado los otros eventos significativos, como los avances logrados en las fibras ópticas, por ejemplo, sin el impulso y la promesa de todas las posibilidades importantes que presentó el láser. Inevitablemente, el tratamiento de las fuentes luminosas debe concentrarse en este extraordinario dispositivo. Sin embargo, no deben olvidarse las fuentes térmicas tradicionales como fuentes de arco, fuentes incandescentes y descargas gaseosas o inclusive el sencillo diodo emisor de luz, que tienen una función importante, aunque más modesta. Estas fuentes serán mencionadas cuando se considere apropiado. Orígenes de la luz Para comprender el láser y otras fuentes luminosas es necesario apreciar el carácter único de la luz emitida por gases y sólidos. Cuando todos los cuerpos radiantes se observan a simple vista parece que presentan un color característico. La luz solar es blanca, un trozo de fierro caliente puede ser de color rojo-anaranjado y la luz de un poste de alumbrado publico es amarilla. Sin embargo, si la luz de tales fuentes se hace pasar a través de un prisma, entonces se dispersa en una serie de colores (componentes) denominado espectro. La luz solar aparece como una banda continua de colores que varia del rojo al violeta, el trozo de fierro también presenta una banda que varia del rojo apagado al anaranjado y la lampara de sodio exhibe una serie de líneas brillantes estrechas. El que la distribución espectral sea continua o en líneas discretas depende de la naturaleza y temperatura de la fuente. Emisión espontánea de fotones Los orígenes de la emisión espectral de la luz por un material pueden rastrearse hasta la existencia de los niveles permitidos de energía dentro de la estructura del átomo en sí ya la excitación y desexcitación sucesiva de electrones entre tales niveles. Con base en el modelo cuántico del átomo, no se permite que los electrones formen un continuo de órbitas alrededor del núcleo, sino que están confinados a un conjunto de órbitas discretas estables mediante un equilibrio entre dos fuerzas opuestas. La fuerza de atracción electrostática, denominada fuerza electrostática de Coulomb, atrae el electrón negativo hacia el núcleo positivo, mientras que la fuerza debida a la aceleración de la masa del electrón actúa radialmente hacia fuera del núcleo. Los electrones enlazados no pueden asumir ningún valor de energía, sino que sólo poseen energías discretas específicas según las órbitas permitidas. Se dice que la energía está cuantizada y los valores permitidos de energía se denominan niveles de energía. Mientras más alejado del núcleo se encuentre el electrón, el enlace será menos fuerte. U5-T1 Introducción - 1
2 Para el caso más sencillo de un átomo de hidrógeno, que sólo tiene un electrón, en el diagrama de nivel de energía de la figura 1 se muestra el intervalo de energía que puede poseer el electrón. Cuando el electrón está en su nivel de energía más bajo posible, se dice que el átomo se encuentra en su estado fundamental (o base). Un átomo solo puede llevarse a un estado excitado si el electrón absorbe una cantidad de energía exactamente igual a la diferencia entre los niveles inferior y superior. Por ejemplo para elevar el átomo de hidrogeno de un estado inferior W i a un estado excitado W s Se requiere que la energía absorbida, W sea igual a W s - W i. Esta energía puede suministrarse por ejemplo, como luz, calor o energía de colisión. Lo importante es que debe ser la cantidad necesaria. Por lo general, la excitación del átomo eleva los electrones de órbitas externas, los denominados electrones de valencia, hacia niveles superiores. Figura 1.- Diagrama de energía del hidrogeno en la que se observan las principales líneas espectrales. Cuando se encuentra en un estado excitado, es posible seguir excitando al átomo, hacia un estado aún superior o puede liberar parte, o toda su energía en exceso al regresar a un estado inferior. En general, la vida de un átomo en un estado excitado es aproximadamente U5-T1 Introducción - 2
3 10 ns antes de que se relaje espontáneamente a un nivel inferior con la liberación de un cuanto de energía igual a la diferencia entre su estado excitado inicial y su estado inferior final. Aunque esta energía puede manifestarse de varias formas, lo que interesa son las transiciones ópticas, que dan por resultado la emisión de un fotón de luz. La energía del fotón emitido, W fot, depende de la diferencia entre los dos niveles de energía y esta dada por: W fot = W s W i = W si puede recordarse que la energía del fotón también está dada por W fot = hf si = hc/λ si en donde fsi es la frecuencia del fotón emitido λ si es su longitud de onda. Debido a que el electrón tiene acceso a varios posibles niveles de energía es que puede existir un intervalo de transiciones ópticas, originando el espectro característico de tal elemento. En la figura 1 se muestran algunas de las transiciones posibles para el hidrógeno. Densidad de población La situación que acaba de ser descrita se relaciona con la de un solo átomo aislado. Ahora, considere la situación más real en la que grandes cantidades de átomos existen en diferentes estados de excitación. En este caso, los electrones asociados con cada átomo están distribuidos a través de todo el intervalo de niveles de energía disponibles para ellos. En equilibrio térmico, la cantidad de átomos por unidad de volumen, la densidad de población en un estado de energía específico depende exclusivamente de la temperatura del gas y de la diferencia de energía entre el nivel excitado y un nivel inferior conocido. Para un gas en equilibrio térmico cuyos alrededores se encuentran a una temperatura T, la densidad de población de los átomos N s en un estado excitado W s en relación con los N i en un estado inferior de energía W i está dada por la relación de Boltzmann como: N N S i WS Wi WSi = exp = exp kt kt y se muestra esquemáticamente en la figura 2. La importancia de la relación anterior es que a temperaturas normales la gran mayoría de los átomos se encontrarán en sus estados fundamentales. Relativamente pocos de ellos estarán en estados de excitación superiores. Aumentar la temperatura del sistema eleva más átomos hacia los niveles superiores de excitación que posteriormente sé desexcitarán mediante la liberación espontánea de fotones de regreso a los niveles inferiores. Existe una situación dinámica en la cual el porcentaje de población de cualquier par de estados a una temperatura específica está regido por la ecuación de Boltzmann a esa temperatura. U5-T1 Introducción - 3
4 Figura 2.- Distribución de población de Bolzmann. Fuentes de luz térmicas Los procesos que acaban de describirse constituyen la base de la emisión de luz a partir de fuentes térmicas. Si un gas de baja presión como el hidrógeno se encierra en un tubo de vidrio al vacío y se excita haciendo pasar una corriente eléctrica a través de él, los átomos y moléculas constituyentes absorben energía continuamente debido a la colisión con electrones y también entre sí. En cuanto los átomos ganan energía, inmediatamente la pierden de nuevo debido a una combinación de emisión espontánea de fotones, calor y desexcitación debida a las colisiones. En tal situación dinámica, las poblaciones del nivel de energía están regidas por la relación de Boltzmann a la temperatura específica del gas. Debido a que los átomos y las moléculas están lo suficientemente alejados entre sí, de modo que la estructura de energía se asemeja a la de un átomo aislado, la emisión de fotones cubrirá un amplio intervalo de longitudes de onda, pero será de naturaleza discreta. Tales fuentes luminosas se denominan fuentes de descarga gaseosa y se utilizan bastante como fuentes de referencia en espectroscopia. Los ejemplos comunes son las lámparas de sodio empleadas para el alumbrado público, ya mencionadas, y la lámpara de vapor de mercurio. En la figura 3 se muestra un espectro para la lámpara de vapor de mercurio. Cuando los átomos están muy próximos entre sí, como en un gas denso el Sol o un sólido como un trozo de fierro caliente, las estructuras de energía asociadas con los átomos individuales se afectan mutuamente. Este es el comportamiento colectivo de muchos átomos interactuantes de especies diferentes, en vez del comportamiento característico de los átomos individuales de un elemento específico. Los niveles aislados deben correrse ligeramente en energía y superponerse con respecto a los demás. A fin de dar cabida a todos los electrones disponibles. En lugar de niveles de energía discretos individuales para U5-T1 Introducción - 4
5 el átomo aislado, se encuentra el desarrollo de bandas de niveles de energía bastante próximas unas de otras. Entre ellas hay zonas prohibidas de energía, huecos de energía que los átomos no pueden ocupar (figura 4). Figura 3.- Espectro de una lampara de mercurio(arco)de 1000 W. Figura 4.- Bandas de energía de un sólido. Para un gas a una temperatura dada, los niveles de energía disponibles más bajos están llenos de electrones: estas bandas se denominan bandas de valencia. Por encima de éstas se encuentra un intervalo de bandas esencialmente vacías, denominadas bandas de conducción. La excitación eleva los átomos de las bandas de valencia densamente ocupadas hacia las bandas de conducción relativamente vacías. La emisión de un fotón ocurre cuando un U5-T1 Introducción - 5
6 electrón en una banda de conducción se relaja a una banda de valencia con la liberación de una cantidad correspondiente de energía. Debido a que la emisión I ocurre entre bandas de energía, en lugar de entre los niveles bien definidos recientemente descritos, el espectro característico es un continuo de banda ancha en el que son indistintas las transiciones individuales, Aunque las poblaciones relativas de las bandas siguen siendo dependientes de la temperatura, están regidas no por la distribución de Boltzmann, sino por la estadística de Femi-Dirac. La distribución espectral de energía radiada por tal fuente térmica está dada por la radiación de cuerpo negro, que proporciona la energía radiante emitida por un cuerpo caliente a una temperatura conocida. Esencialmente, mientras más caliente esté el cuerpo más energía emitirá y menor será la longitud de onda de la emisión pico. Por tanto, a medida que un trazo de fierro se calienta, comienza a brillar con un color apagado, cambiando a rojo-naranja ya amarillo mientras más caliente esté. Tales materiales constituyen la base de las fuentes por descarga de arco o lámparas incandescentes. En la figura 5 se muestra un espectro típico. Figura 5.- Espectro de una lampara de alógeno de tungsteno de 100 W operando a 3200 o K. Resumiendo, las fuentes lumin osas térmicas producen radiación óptica como resultado de un proceso dinámico de excitación y desexcitación espontánea de electrones de valencia. Dado que la excitación ocurre a varios niveles de energía, la radiación está compuesta de un amplio intervalo de longitudes de onda emitidas en instantes y direcciones aleatorios: se dice que la luz es incoherente. Este comportamiento contrasta bastante con el de un láser, en el cual la luz emitida es casi monocromática, en fase y unidireccional: se dice que esta luz es coherente. U5-T1 Introducción - 6
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