Ingeniería Óptica

Ingeniería Óptica
Tema 3: Fuentes de luz
¤
¤
¤
¤
¤
¤
Radiometría
Fuentes de luz por efecto térmico
Fuentes luminiscentes
El láser
Aplicaciones de los láser
Pantallas
1
2
Magnitudes relacionadas con la radiación de energía
La diferencia entre magnitudes radiantes y luminosas estriba en que las
luminosas sólo tienen en cuenta la energía radiante en la región en la que V(λ)
es distinta de cero.
Mag. fot. = 683! (mag.rad .)V (" )d"
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Tema 3: Fuentes de luz
3
Funciones V(λ) y V’(λ)
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Tema 3: Fuentes de luz
V’(λ)
V(λ)
4
Ángulo sólido
De las magnitudes radiantes, la intensidad y la radiancia son de las más
importantes. Ambas implican radiación de energía por unidad de ángulo sólido.
Este ángulo sólido se define como el ángulo que, visto desde el centro de una
esfera, incluye una porción de la superficie de dicha esfera (es decir, un ángulo
3D). Matemáticamente:
A
! = 2 !0
r
En función del ángulo que substiende:
ϕ
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Tema 3: Fuentes de luz
! = 2$ (1 " cos # )! 0
5
Ley de la fotometría
Se dice que un emisor posee radiación lambertiana cuando su radiancia es
uniforme en todas direcciones, lo que implica que la intensidad radiante
(potencia por unidad de ángulo sólido):
(Ley del coseno de Lambert)
Lcte " I (! ) = I (0) cos!
θs
Si tenemos dos elementos de
superficie, uno emisor y otro
receptor, la potencia que el área
receptora recibe de una fuente
con radiancia Le es:
As
A cos! s Ad cos! d
"d = Le s
r2
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θd
Ad
6
Fuentes debidas a efectos térmicos: cuerpo negro
Los cuerpos por tener una determinada temperatura emiten radiación electromagnética: radiadores térmicos. La forma de radiación de estas fuentes se basa
en un radiador térmico ideal: el cuerpo negro. El cuerpo negro se define como
un cuerpo que absorbe toda la radiación que le llega y que emite, de forma
lambertiana, en todas direcciones y longitudes de onda, la máxima energía
radiante (si se compara con otras fuentes térmicas).
La emitancia de un cuerpo negro
se puede demostrar que es:
'
$
C1 % 1 "
M ! = 5 % C2
""
! % !T
& e (1#
W
cm 2 µm
Con C1=3.745 10-4 y C2=1.44 104
Para saber la energía total emitida,
también se puede usar la ley de
Boltzmann:
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Tema 3: Fuentes de luz
E(watts/m2) = 5.70 x 10-8 T4
7
Distribución de energía emitida
Tendemos a pensar que los cuerpos
rojos son calientes (~1000K), pero
los realmente calientes son los que
emiten en el azul!
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Tema 3: Fuentes de luz
Los humanos emitimos
del orden de 550W/m2
8
Ley de Wien
Si
λ se da en micras, b vale 2898
Para T ~ 5300K (sol),
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Tema 3: Fuentes de luz
λ ~ 550 nm
9
Fuentes térmicas naturales: el sol
El sol emite unos 3.2 1025 W/sr
El sol está a unos 150 millones de
km de la tierra
El sol se comporta como un cuerpo ‘gris’ (casi negro) emitiendo a unos 5300K
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Fuentes térmicas artificiales: la bombilla
La bombilla es un radiador térmico. El
filamento, normalmente hecho de
wolframio, se calienta entre 2200 y
3000K, de forma que emite con un
máximo de emisión en torno a la
micra. Por eso la luz de la bombilla
tiende a ser cálida, porque tiene más
radiación roja que azul.
El wolframio funde a unos 3600K. De
todas formas este material se va
evaporando poco a poco, se deposita
sobre el vidrio y oscurece la emisión.
Para evitar esto se suelen usar gases
halógenos
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Bombillas
Las bombillas emiten más o menos
de acuerdo a la superficie del
filamento y a su temperatura
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Fuentes luminiscentes
Las fuentes de luz que hemos visto hasta el momento están basadas en el
calentamiento de los cuerpos. Pero hay, evidentemente, otro tipo de fuentes que
denominaremos luminiscentes para las que las excitaciones de átomos que
darán lugar a emisión de luz se hace por aporte de energía no térmica. Dichas
fuentes son básicamente artificiales. Pero para saber cómo emiten estas fuentes
hay que saber algo de la estructura de la materia.
La materia está constituida por átomos, los cuales son finalmente conjuntos de
cargas en equilibrio. La radiación electromagnética puede interaccionar con
dichas cargas en sus elementos más externos y deslocalizados, los electrones,
aportando energía y cambiando sus estados electrónicos y, por tanto, sus niveles
energéticos. La electrodinámica cuántica nos dice que los niveles energéticos
electrónicos no representan un continuo de valores sino que están
discretizados. Por lo tanto un átomo no puede tener cualquier energía, sino sólo
unos valores determinados que dependen del propio átomo.
De la misma forma, la radiación electromagnética no puede aportar cualquier
energía a un átomo, ya que también está cuantizada en forma de partículas
llamadas fotones. Desde un punto de vista estrictamente cuántico la luz está
formada por un chorro de fotones, cada uno de los cuales lleva asociada una
onda. La energía de cada fotón: hν con h = 6.6256 10-34 J.s.
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La estructura de la materia: absorción
La materia puede absorber energía. Hemos visto que no
cualquier cantidad de energía, pero puede absorber diferentes
tipos de energía, entre ella la propia energía luminosa (fotones).
1
..
.
E
Energía
3
hν
0
Iinc
Isal
E2
E1
GAS
T (! ) =
I sal
I inc
!1
!2
!3
!
Las longitudes de onda a las que absorbe el gas son fijas y dependen de la
estructura energética de los átomos: es como su ‘huella dactilar’.
Las fuentes que emiten luz muchas veces se clasifican de acuerdo a la forma
en que absorben la energía: si la energía absorbida es luminosa se llaman
fotoluminiscentes; si es electrónica electroluminiscentes; si es química
chemoluminiscentes; etc.
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Emisión espontánea
Energía
GAS
..
.
E
3
Energía
hν
0
Isal
I sal (! )
E2
E1
v=
E2 ! E1
h
!1
!2
!3
!
Una vez el átomo está en estado excitado tenderá a decaer a su estado
natural (fundamental) por sí mismo; en algún caso emitirá luz, y dicha luz
tiene unas características especiales: es despolarizada y emitida en todas
direcciones. Es la base de la emisión de la mayoría de las fuentes ópticas.
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Emisión estimulada
Iinc
..
.
Energía
E3
hν
hν
GAS
Isal
Energía
0
I sal (! )
E2
hν
E1
!1
!2
!3
Si estando el átomo en estado excitado, se encuentra con un fotón que tiene
exactamente la energía que debe perder para desexcitarse, el fotón puede
estimular la desexcitación del átomo creando una emisión estimulada. Los
fotones generados tienen la misma frecuencia y polarización, y salen en la
misma dirección que el fotón que los generó.
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!
16
Lámparas de descarga a baja presión
Son tubos en los que se ha insertado un gas a baja presión, esto es, que no hay
muchos átomos por unidad de volumen y por tanto no hay colisiones (las líneas
de emisión van a ser estrechas).
En el tubo se provoca una descarga eléctrica que origina que se ionice el gas.
Posteriormente los iones se mueven por el tubo acelerados por una diferencia de
potencial y chocan con otros átomos excitándolos. En su decaimiento emiten luz
por emisión.
Dependiendo del tipo de gas se emiten unas bandas u otras, lo que origina que
los tubos emitan en unos u otros colores. Por ejemplo:
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Tema 3: Fuentes de luz
Tipo de gas
Color
Neon
Rojo
Helio
Amarillo
Neon y mercurio
Azul
Dióxido de carbono
Blanco
Neon y mercurio con tubo
pintado de marrón
Verde
17
Lámparas de descarga a baja presión: líneas
La longitud de onda de emisión no depende sólo del gas, también de su presión y temperatura
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Lámparas de descarga a alta presión
Son lámparas que se usan en aplicaciones donde se precisa mucha luz,
iluminación exterior, industrial, y sobre todo si se necesita luz en el U.V.
Hay muchos átomos (alta presión) situados en la proximidad de dos electrodos
en elos que se produce un arco eléctrico. Al ionizarse, se producen muy altas
corrientes, generándose campos intensos y formando un plasma (agrupación
de cargas a alta temperatura.
La consecuencia más directa es que la forma de emisión es como si juntáramos
una fuente térmica y una luminiscente: son las fuentes más brillantes que
existen. Ejemplos: Na (farolas, alta duración), Xe (UV), Hg.
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Tema 3: Fuentes de luz
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Emisión de una lámpara de descarga a alta presión
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Tema 3: Fuentes de luz
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Tubos fluorescentes
Son tubos de Hg a baja presión. Estos tubos emiten en las líneas espectrales
del mercurio, sobre todo en el UV y el azul-verde. Las bandas de UV excitan un
material fluorescente, con una distribución espectral blanca que podríamos
denominar fría.
Hoy en día existen fluorescente con forma de bombilla ya que este tipo de
fuentes emiten más luz a igualdad de potencia consumida (70W de una
bombilla son equivalentes a 17W de una bombilla fluorescente de bajo
consumo). Una cosa interesante de estas bombillas es que han cambiado el
material fluorescente para tener una emisión más cálida.
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Tema 3: Fuentes de luz
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Diodos de semiconductor
El estudio de los LEDs o diodos emisores de luz es muy interesante, pero se
realiza de forma exhaustiva en la asignatura de Comunicaciones Ópticas (4º
curso). En cualquier caso podemos decir que los LEDs son dispositivos
electroópticos, diodos capaces de emitir luz en alguna longitud de onda cuando
se polariza en directa. Se hacen con materiales semiconductores, por lo que la
emisión de fotones se realiza a través de la recombinación de electrones en
banda de conducción con huecos en banda de valencia: las longitudes de onda
de emisión dependen de la energía de gap, es decir, del material.
Recombinación
radiativa
hν
Emisión espontánea
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Tema 3: Fuentes de luz
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Emisión de un LED
Los LEDs tienen multitud de aplicaciones, pero la señalización e iluminación son
las más importantes. Son muy robustos y pueden durar el millón de horas.
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El láser: emisión estimulada
Láser es realmente LASER, es decir, un acrónimo de Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation. Por tanto, la luz láser proviene de poseer un
medio en el que se potencie la emisión estimulada.
Emisor térmico
Láser: ganancia
El hecho de que se potencia la emisión estimulada abre las puertas a tener un
medio con ganancia
Desde un punto de vista meramente probabilístico, para potenciar la emisión
estimulada, si un fotón llega a un medio debe ser más probable que genere
otro fotón que que se absorba por el medio: para ello se necesita lo que
llamamos inversión de población
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El láser: inversión de población y bombeo
N2
N2
N1
N1
Absorción: proporcional
al número de átomos en
nivel 1
Emisión estimulada:
proporcional al número de
átomos en nivel 2
Objetivo: tener más átomos en nivel 2 que en el 1. Inversión de población
Para ello es necesario romper el equilibrio térmico y aportar energía al
sistema. Eso se realiza a través del bombeo. El bombeo en un láser puede
ser de muy diferentes formas, pero representa un aporte de energía que luego
va a convertirse en potencia luminosa. Debe quedar claro que un láser nunca
se puede realizar utilizando sólo dos niveles energéticos:
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Tema 3: Fuentes de luz
Si N1 = N2 es igualmente probable que se
absorba que se emita y por tanto nunca
podemos bombear más de la mitad de los
átomos al nivel 2. Necesitamos, al menos,
uno más.
25
Láser de tres niveles
bombeo
E3
nivel poco estable (τ pequeña ~10-8)
transición no radiativa (rápida)
E2 nivel estable (τ grande ~10-4)
hν
hν
hν
E1
nivel fundamental
Utilizando 3 niveles podemos tener acción
láser, ya que los fotones generados van a
tener más probabilidad de emitirse que de
absorberse. Además el bombeo, si es óptico,
no va a afectar.
Ejemplo: láser de rubí.
En cualquier caso el láser de 3 niveles no es
eficiente: se necesita bombear la mitad más
uno de los átomos en estado fundamental
para tener inversión de población
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Tema 3: Fuentes de luz
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Láser de 4 niveles
bombeo
E4
nivel poco estable (t pequeña ~10-8)
transición no radiativa (rápida)
E3 nivel estable (t grande ~10-4)
hν
hν
hν
E2
nivel poco estable (t pequeña ~10-8)
transición no radiativa (rápida)
E1 nivel fundamental
Láser de He-Ne
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Tema 3: Fuentes de luz
27
Resonadores
De todas formas, un medio con ganancia no es un láser todavía. Se precisa
aumentar el número de fotones dentro de la cavidad para lograr potenciar aun
más la emisión estimulada. Esto se hace a través de un resonador.
Bombeo
Luz láser
Los resonadores pueden ser muy
variados, y fijan en gran medida
las características espectrales de
la luz que emiten.
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Tema 3: Fuentes de luz
28
Bombeo
Sólidos
Gases
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Tema 3: Fuentes de luz
29
Tipos de láseres
• Láseres de estado sólido
Rubí, Nd-YAG, Ti-Zafiro, etc.
• Láseres gaseosos
CO2 (molecular), He-Ne (atómico),
Argon (ion), vapor de cobre, etc.
• Láseres químicos
• Láseres semiconductores
GaAs-GaAlAs, InP-InGaAsP, etc.
• Láseres líquidos
Láseres dye
• Láseres de electrones libres
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Tema 3: Fuentes de luz
30
Propiedades de un haz láser
Las propiedades de un haz láser son:
•
•
•
•
•
Monocromaticidad
Alta coherencia
Direccionalidad
Alta radiancia
Posibilidad de emitir pulsos muy cortos
Estas características hacen el láser una
fuente de luz diferente a todas las que
existen y permite que existan multitud
de aplicaciones en las que se utiliza.
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Tema 3: Fuentes de luz
31
Monocromaticidad
Al estar la emisión estimulada muy potenciada en un láser, y al ser los fotones
generados iguales en frecuencia a los fotones que los generaron, la radiación
láser tiende a ser muy monocromática, esto es, tiene menos longitudes de onda
que las fuentes que funcionan por emisión espontánea.
A esto sumamos que la propia cavidad limita las longitudes de onda que se
propagan en su interior (es como un interferómetro Fabry-Perot).
Recordar:
#" =
$c
#!
2
!
No todos los láseres son tan
monocromáticos.
Los
láseres
basados en dyes o los de
semiconductor tienen mayores
anchuras. En cualquier caso son
las fuentes más monocromáticas
que existen, permitiendo estudiar
fenómenos que precisen de pocas
longitudes de onda
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Tema 3: Fuentes de luz
32
Alta coherencia
En su momento definimos la coherencia como
la capacidad que tiene un haz de interferir.
Vimos que si, en el experimento de Michelson,
movemos el espejo una distancia suficientemente grande, las interferencias en el detector
pueden desaparecer. Esto es debido a que los
diferentes paquetes de onda pierden la fase
uno con respecto al siguiente, lo que redunda
en una pérdida de la coherencia del haz.
Vimos que la coherencia (temporal) tiene una relación directa con la monocromaticidad del haz, a través de la relación:
!2
lc =
"!
Podemos escribir la intensidad en el detector como
I = I1 + I 2 + 2 I1 I 2 g (" ) cos !
Donde g(τ) es la función de coherencia, y τ es el tiempo de vuelo entre haces.
g(τ) varía entre 1 y 0 y tiene valores diferentes de cero para τ~lc/c
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Tema 3: Fuentes de luz
33
Direccionalidad
El hecho de que el láser esté incluido en una cavidad resonante hace que sólo
aquellos fotones que siguen direcciones muy definidas puedan ser amplificados en
varias pasadas por el medio activo: el haz es muy direccional y paralelo al eje de
la cavidad.
El fenómeno de la difracción
impone que el haz no pueda
ser perfectamente paralelo,
sino que tenga una cierta
divergencia.
" # (o > que)
!
D
Láseres con diámetros de 2mm podrían tener divergencias del orden de 10-4
rad, lo que es muy poco. Los láseres de semiconductor tienen divergencias
bastante mayores debido al reducido tamaño de la cavidad.
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Tema 3: Fuentes de luz
34
Alta radiancia
La alta direccionalidad de un haz láser hace que
su radiancia sea realmente pequeña por el
término de ángulo sólido.
L=
"
As # cos !
La potencia de un láser no es muy alta, del orden de algunos mW típicamente,
pequeña si la comparamos con los 100W de una bombilla. Pero la bombilla da
esa potencia en todas direcciones del espacio, mientras que el láser lo hace en
un ángulo del orden de 10-4 radianes.
La alta directividad del haz láser permite
asimismo que se pueda, con ayuda de una
lente, focalizar el haz en un punto muy
pequeño: eso aumenta mucho la densidad
de energía (1mW focalizados en un ‘spot’
de 10µm2 representan una densidad de
energía de 100MW/m2). El tamaño mínimo
al que se puede focalizar el haz depende
asimismo de la difracción.
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Tema 3: Fuentes de luz
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Aplicaciones de los láseres
Procesado de materiales
• Corte de materiales y ropa
• Procesado de semiconductores (microlitografía)
• Grabado de datos
• Evaporación de materiales. Soldadura
Terapia médica
• Oftalmología
• Cirugía
• Tratamiento de heridas
• Dermatología (depilación, peeling, manchas, etc…)
Telecomunicaciones
• Comunicaciones ópticas
Almacenamiento óptico
• CD
• CD-ROM
• DVD
• Magneto-ópticos
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Tema 3: Fuentes de luz
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Aplicaciones de los láseres (2)
Divertimento
• Discotecas
• Conciertos
• Espectáculos varios
Grabado de imágenes
• Impresoras láser
• Fax/scanner
• Hologramas
Inspección medida y control
• Lectores de barras
• Punteros
• Miles de otros ejemplos
Militares
• Medida de distancias
• Fijación de objetivos y posiciones
• LIDAR
• Arma
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Tema 3: Fuentes de luz
Ingeniería Óptica
Anexo Tema 3: Pantallas (Displays)
¤
¤
¤
¤
¤
¤
Pantallas CRT
Pantallas LCD
Pantallas de plasma
Pantallas de emisión de campo
Pantallas electroluminiscentes
Pantallas LED
1
2
Pantallas
Una pantalla es un elemento, generalmente emisor de luz, que forma letras,
números y gráficos de forma dinámica. Las pantallas suelen ser en el fondo
matrices de puntos más o menos pequeños (resolución) denominados píxels que
podemos direccionar para formar las imágenes. Las pantallas a color precisan de
tres píxels reales por cada píxel de información de color (RGB), de forma que
nuestro ojo integre esa salida de los tres píxels en uno a suficiente distancia y
nos parezca que hay un único píxel de un color que dependerá de las
intensidades relativas entre ellos.
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Tema 3: Fuentes de luz
3
Tubos de rayos catódicos (CRT’s)
La pantalla CRT es el primer tipo de pantalla que existió, y su principal aplicación
es formar la imagen de televisión. Posteriormente se ha utilizado para imágenes
de ordenador. Hoy en día está en retroceso.
Se basa en un cañón de electrones (tubo de rayos catódicos) que emite un haz de
electrones que un electroimán deflecta de forma que va barriendo una pantalla de
cristal donde hay un material fluorescente.
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Tema 3: Fuentes de luz
4
Tubos de rayos catódicos (CRT’s)
Si la TV es en B&N sólo hay 1 tipo de fluorescente y si es en color hay tres
fluorescente diferentes (azul, verde y rojo) por lo que se precisará, para
obtener la información de color, el barrer 3 veces o con tres cañones diferentes,
uno por color. Durante mucho tiempo el líder tecnológico fue SONY con la TV
plana con tubo Trinitron que aportaba mejoras tecnológicas para ofrecer una
gran calidad de imagen.
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Tema 3: Fuentes de luz
5
Tubos de rayos catódicos (CRT’s)
De acuerdo a la intensidad del haz, el fluorescente emite más o menos. El haz
de electrones barre la pantalla de arriba abajo y de izquierda a derecha
formando una imagen. La imagen se barre unas 50 veces por segundo (50Hz),
aunque en realidad lo hace a mitad de velocidad, ya que 25 veces por segundo
barre las líneas pares y 25 veces por segundo las impares. Las TV más
modernas y las pantallas de ordenador barren a mayores velocidades para evitar
el flicker (parpadeo) que cansa la vista.
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Tema 3: Fuentes de luz
6
Pantallas LCD (Liquid Crystal Display)
Las pantallas basadas en LCDs se conocen desde hace muchos años, pero ha
sido la industria informática la que ha propiciado que sea la pantalla plana más
utilizada en la actualidad (para los portátiles).
Se basan en la existencia de cristales líquidos o medios semi-sólidos en los que
las moléculas que lo forman son capaces de orientarse con la aparición de un
campo eléctrico. De esta forma se puede actuar sobre la polarización de la luz
y lograr variaciones en la transmisividad del cristal líquido.
Hoy en día para aplicaciones de calidad sólo se utilizan en la práctica las
pantallas LCD denominadas activas (o TFT) y se pueden encontrar en tres
configuraciones: transmisivas, reflectivas y de proyección.
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Tema 3: Fuentes de luz
7
Cristales líquidos: principio de operación
Los cristales líquidos están formados por moléculas alargadas de considerables
dimensiones que tienen capacidad de rotar en el medio. En condiciones
normales, las moléculas se disponen de forma semialeatoria con el eje mayor
casi paralelo. Cuando estas moléculas se ponen en contacto con una superficie
ranurada, las moléculas tienden a alinearse de forma paralela a las ranuras.
Si colocamos dos superficies
ranuradas
con
sus
ejes
perpendiculares se fuerza a las
moléculas a girar de forma ‘suave’
desde un estado al otro. El efecto
que utilizaremos se basa en que la
polarización de la luz es capaz de
rotar siguiendo el mismo giro que
las moléculas, debido a su gran
tamaño.
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Tema 3: Fuentes de luz
8
Cristales líquidos: principio de operación
Pero el efecto que nos permite conmutar entre un estado y otro es la capacidad
de estas moléculas de girar y alinearse con un campo eléctrico aplicado.
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Tema 3: Fuentes de luz
9
Cristales líquidos: principio de operación
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Tema 3: Fuentes de luz
10
Problemas con LCD’s
•
Hay que poner un voltaje a cada píxel todo el tiempo
•
Consumen bastante potencia
•
Tienen poco contraste
•
Los ángulos de visión son muy reducidos
•
Bajo tiempo de respuesta (aparición de parpadeo)
•
Al ser materiales orgánicos necesitan protección frente a UV e IR
Los LCD’s activos basados en TFTs son la solución a la mayor parte de estos
Problemas.
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Tema 3: Fuentes de luz
11
Pantallas LCD-TFT (Thin Film Transistor)
Una de las ventajas más apreciables de
las pantallas TFT es que se puede
direccionar píxel a píxel, lo que hace que
puedan barrer más rápido la pantalla,
además de que por construcción el
contraste es mucho mejor así como el
ángulo de visión. Además, el consumo por
píxel es mucho menor, lo que abre la
posibilidad de utilizar estas pantallas en
dispositivos alimentados por baterías.
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Tema 3: Fuentes de luz
12
Pantallas de plasma
Las pantallas de plasma son las preferidas para
aplicaciones de TV plana de grandes dimensiones.
Se basan en el mismo efecto que los fluorescentes:
en las pequeñas celdas que forman cada píxel se
producen descargas que hacen lucir a unos
fluorescentes de colores RGB situados en su interior
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Tema 3: Fuentes de luz
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Pantallas electroluminiscentes
Los materiales electroluminsicentes son aquellos que emiten luz cuando pasa
una corriente eléctrica por ellos. Es complicado generar pantallas en color con
ellos, pero tampoco es ésa su principal aplicación. Se utilizan sobre todo para
realizar displays monocromo de bajo coste (por ejemplo en los interiores de los
coches) o también para conseguir paneles iluminados con múltiples aplicaciones
(por ejemplo retroiluminación de pantallas TFT).
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Tema 3: Fuentes de luz
14
Pantallas basadas en LEDs
OLEDs, organic LEDs
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15
Pantallas de emisión de campo
Las pantallas de emisión de campo se asemejan a múltiples y pequeños CRT’s,
donde cada cañón de electrones ataca a un único píxel de color. Están en fase de
desarrollo avanzado, pero sobre todo tienen aplicaciones en microdisplays, ya
que la desnisdad de conos, al ser un proceso microelectrónico, puede ser grande.
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Tema 3: Fuentes de luz
16
Micro-pantallas
Las pantallas grandes presentan un indudable interés, pero
también las micro-pantallas empleadas en gran cantidad de
aplicaciones (incluyendo las de pantalla de TV)
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