COMOPORTAMIENTO OPTICO DE LOS MATERIALES 20.2. EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Un material puede emitir energía o radiaciones en forma de ondas o partículas, llamadas fotones. Las características importantes de los fotones están relacionadas mediante la siguiente ecuación
Donde c es la velocidad de la luz (3x10 10 cm/s) y h es la constante de Planck (6.62x10 -34 J.s). Esta ecuación permite considerar el fotón como una partícula de energía E o como una onda, con longitud de onda y frecuencia características. Dependiendo del origen de los fotones, se pueden producir radiaciones en una gran gama de longitudes de onda; la totalidad del espectro de las radiaciones electromagnéticas aparecen en la figura 20-1.
20.3. EJEMPLOS Y USOS DE LOS FENÓMENOS DE EMISIÓN Rayos gamma-interacciones nucleares Los rayos gamma son emitidos durante la descomposición radiactiva de núcleos inestables de ciertos átomos. Por tanto, la energía de los rayos gamma depende de la estructura del núcleo del átomo y varía según los distintos materiales.
Los rayos gamma pueden utilizarse como fuente de radiación para detectar defectos dentro de un material.
Rayos X- interacciones en las capas internas de electrones Los rayos X, que tienen una energía ligeramente menos que los rayos gamma, se producen al estimular los electrones de las capas internas de un átomo. Se producen rayos X de espectro continuo y espectro característico. Suponga que un electrón de alta energía golpea un material. Cada vez que el electrón golpea un átomo, cede una parte adicional de su energía. Cada interacción puede ser mas o menos severa, produciendo fotones de longitudes de onda diferentes (figura 20-2). Se produce un espectro continuo(la porción continua de las curvas en la figura 20-3). Si el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitud de onda mínima de los fotones emitidos seria el equivalente a la energía original del estimulo. La longitud de onda mínima de los rayos X producida se conoce como limite de longitud de onda corta swl
El estimulo de llegada también puede tener energía suficiente para excitar un electrón de una nivel inferior de energía y pasarlo a uno superior. Este proceso propicia la emisión de un espectro característico de rayos X que es diferente para cada tipo de átomo. Cuando un electrón baja de un nivel a otro nivel, emita un foton que tiene energía y longitud de onda particulares. Este efecto se ilustra en la figura 20-4. Si se excita un electrón de la capa K, el hueco puede llenarse con electrones provenientes de cualquier capa exterior. Asi se se emitirán fotones con energía ∆E=EK-EL (rayos X K ) o ∆E = E KEM(rayos X Kβ). Cuando un electrón de la capa M llena la capa L, se emite un fotón de energía ∆E = EL-EM (rayos X L). Observe que para producir rayos X K se necesita un estimulo mas enérgico que para producir rayos X L .
Como consecuencia de la emisión de fotones con una longitud de onda característica, sobre el espectro continuo se sobreponen una seria de picos (figura 20-3). Las longitudes de onda a las cuales ocurren estos picos son características de cada tipo de átomo. También es posible medir la intensidad de los picos característicos. Comparando las intensidades medidas con las normales, se puede calcular el porcentaje de cada tipo de átomo dentro del material y de ahí, estimar su composición. En la tabla 20-1 se incluyen ejemplos de una porción de los espectro característicos de diversos elementos.
Luminiscencia – Interacciones de las capas exteriores de electrones La luminiscencia es la conversión de radiaciones y otras formas de energía en luz visible. La luminiscencia ocurre cuando una radiación incidente excita electrones de la banda de valencia para pasar a través de la brecha de energía y haciéndolos llegar finalmente a la banda de conducción. Cuando los electrones regresan a la banda de valencia, emiten fotones. Si la longitud de onda de estos fotones está dentro del espectro de luz visible, aparecerá la luminiscencia. Sin embargo, esta no ocurre en los metales. Los electrones simplemente son excitados para pasar a niveles superiores de energía dentro de la banda de valencia no totalmente ocupada y, cuando el electrón excitado regresa al nivel inferior de energía, el fotón producido tiene una energía muy pequeña y una longitud de onda muy larga y superior a la de la luz visible [ver figura 20-6 (a)].
En materiales luminiscentes se observan dos efectos distintos: la fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencia y los fotones correspondientes son emitidos una fracción de segundo después de haberse eliminado el estimulo [figura 20-6(b)]. Las lámparas fluorescentes, que están recubiertas de un material fluorescente, se comportan de esta forma. Al desconectar la energía, de inmediato la lámpara dejara de emitir luz. Los materiales fosforescentes tiene impurezas, que introducen un nivel de donante dentro de la brecha de energía [figura 20-6 (c)]. Los electrones estimulados bajan primero al nivel donante y quedan atrapados. Existe un retardo antes de que los fotones sean emitidos. Cuando se elimina la fuente, los electrones en las trampas escapan gradualmente, emitiendo luz a lo largo de una cierto periodo. La intensidad de la luminiscencia está dada por
Donde es el tiempo de relajación, que es una constante del material. Después del tiempo t posterior a la eliminación de la fuente, la intensidad de la luminiscencia bajara de I o a I. Los materiales fosforescentes son muy importantes para la operación de las pantallas de televisión.
Diodos emisores de luz- Electroluminiscencia La luminiscencia se puede utilizar con ventaja para la creación de diodos emisores de luz (LED). Los LED son dispositivos de unión p-n diseñados de tal manera que E g se de en el espectro visible (a menudo rojo). Un voltaje aplicado al diodo en la dirección de la polarización directa hace que en la unión se recombinen huecos y electrones y emitan fotones (figura 20-7). El GaAs, el GaP, el GaAlAs y el GaAsP son materiales típicos para los LED.
Laser – Amplificacion de la luminiscencia El laser (siglas en ingles de light amplification by simulated emission of radiation, o amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiación). En ciertos materiales, los electrones excitados por un estimulo (como el tubo de centelleo mostrado en la figura 20-8) producen fotones, los cuales a su vez excitan otros fotones con longitud de onda idéntica. En consecuencia, los fotones emitidos en el material se amplifican. Los rayos laser son útiles en el tratamiento térmico y la fusión de los metales; en soldadura, cirugía y cartografia; en la transmisión y el procesamiento de la información, y en otras aplicaciones, incluso en la lectura de discos compactos con grabaciones estereofónicas libres de ruido.
Para la producción del laser se utiliza una diversidad de materiales. El rubi, que es Al 2O3 dopado con una pequeña cantidad de Cr 2O3, y el granate de itrio aluminio (YAG) dopado con neodimio, son dos laser comunes de estados solido. Otros laser se basan en gas de CO 2.
También se utilizan rayos laser semiconductores como el GaAs. La figura 20-9 ilustra como podría operar un laser semiconductor. Al excitar el semiconductor mediante un voltaje aplicado al dispositivo, los electrones saltan de la banda de valencia hacia la banda de conducción. Cuando un electrón vuelve a la banda de valencia recombinandose con un hueco, se produce un fotón. Este fotón estimula otro electrón, para que baje de la banda de conducción hacia la banda de valencia. En uno de los extremos del cristal del laser un espejo refleja todos los fotones, atrapándolos dentro del semiconductor. Los fotones reflejados estimulan aun mas recombinaciones, hasta que se produce una onda intensa de fotones, estos llegan al otro extremo del cristal, que también tiene un espejo. Parte de los fotones emerge del cristal como un haz monocromático coherente, en tanto que el resto se queda en el cristal para estimular recombinaciones adicionales. La figura 20-10 muestra de manera esquemática un diseño de un laser semiconductor.
Emisión térmica Al calentarse un material, los electrones se excitan térmicamente hasta llegar a niveles de energéticos superiores, particularmente en los niveles superiores de energía, donde los electrones están menos fuertemente unidos al núcleo. De inmediato, estos regresan a sus niveles normales, liberando fotones, fenómeno conocido como emisión térmica. Conforme se incrementa la temperatura, la agitación térmica aumenta y también la máxima energía de los fotones emitidos. Se emite un espectro continuo de radiación, con una longitud de onda mínima y una distribución de intensidad dependientes de la temperatura. Los fotones pueden incluir longitudes de onda del espectro visible; en consecuencia, el color del material cambiara con la temperatura. A temperaturas bajas, la longitud de onda de la radiación es demasiado larga para ser visible. Conforme la temperatura aumenta, los fotones emitidos son de longitudes de onda mas cortas. A 700 C se empieza a ver un tinte rojizo; a 1500 C se emiten longitudes de onda naranja y roja (figura 20-11). A temperaturas todavía superiores se producen todas las longitudes de onda visibles, y el espectro emitido es una luz blanca. Midiendo con un pirómetro la intensidad de una banda estrecha de las longitudes de onda emitidas, se puede estimar la temperatura del material.
20.4. INTERACCIÓN DE LOS FOTONES CON UN MATERIAL Al interactuar con la estructura electrónica o cristalina de un material, los fotones crean varios fenómenos ópticos (figura 20-12).
Refracción cuando un fotón es trasmitido provoca que se polaricen electrones en el material y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte de su energía. La velocidad de la luz se puede relacionar con la facilidad con la cual un material se polariza tanto eléctricamente(permisividad) como magnéticamente (permeabilidad)
Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra en el material cambia de dirección (figura 20-12). Suponga que un haz de fotones viaja en el vacio e incide sobre un material. Si y β son los ángulos que los haces incidentes y refractados tienen con el plano de superficie entonces
La relación n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacio y v la velocidad de la luz dentro del material. En la tabla 20-2 se enlistan valores típicos de índices de refracción para varios materiales.
Si en vez del vacío los fotones viajan en el material 1 y de ahí pasan al material 2, las velocidades de los haces incidentes y refractados dependen de la relación entre sus índices de refracción, haciendo de nuevo que el haz cambie de dirección.
Cuando el material se polariza con facilidad habrá aun más interacción de fotones con la estructura electrónica del material. En consecuencia, se espera encontrar una relación entre el índice de refracción y la constante dieléctrica κ del material. Para materiales no magnéticos:
√
Reflexión Cuando un haz de fotones golpea un material, estos interactúan con los electrones de valencia y ceden su energía. La reflectividad R da la fracción del haz incidente que se refleja y esta relacionada con el índice de refracción. Si el material esa en el vacio o en el aire:
( ) ( )
Si el material esta en algún otro medio, con un índice de refracción n i, entonces:
Los materiales con alto índice de refracción tienen mayor reflectividad que los de índice bajo. La reflectividad y el índice de refracción varian con la longitud de onda de los fotones. En los metales, la reflectividad es típicamente del orden de 0.9 a 095, en tanto que la reflectividad de los vidrios típicos es más próxima a 0.05.
Absorción aquella porción de haz incidente no reflejada por el material es absorbida o transmitida a través del mismo. La intensidad del haz, después de pasar a través del material, esta dada por
Donde x es la trayectoria a través de la cual se mueven los fotones (el espesor del material), µ es el coeficiente lineal de absorción del material para los fotones, I 0 es la intensidad del haz, después de reflejarse de la superficie delantera, e I es la intensidad del haz cuando llega a la superficie trasera. El efecto fotoeléctrico se presentara cuando la energía del fotón se consuma al romperse la unión entre el electrón y su núcleo. Conforme la energía del fotón aumenta (o se reduce la longitud de onda, vea figura 20-14), ocurrirá menos absorción, hasta que el fotón tenga una energía igual a la de la unión. A este nivel de energía, el coeficiente de absorción se incrementa de manera significativa. La energía o longitud de onda a la que esto ocurre se conoce como el margen de absorción. En la figura 20-14 el cambio brusco en el coeficiente de absorción corresponde a la energía que requiere para quitar un electrón de la capa K del átomo; este margen de absorción es importante en ciertas técnicas analíticas de rayos X.
En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande [figura 20-16(a)]. Dado que en los metales no hay brecha de energía. Los aislantes por el contrario, dejan una brecha de energía muy grande entre las bandas de valencia y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la brecha de energía no ocurrirá absorción [figura 20-16(b)]. Cuando los fotones no interactúan con imperfecciones en el material, se dice que este es transparente (vidrio, muchos materiales cerámicos cristalinos de alta pureza y polímeros amorfos como el acrílico). En los semiconductores, la brecha de energía es menor que la de los aislantes. En los semiconductores intrínsecos, habrá absorción si la energía del fotón excede la brecha de energía Ed; en tanto, los fotones con menos potencia pasan por el proceso de trasmisión [figura 20-16(b)]. En los semiconductores extrínsecos, la absorción se presenta cuando los fotones tienen energias superiores a E a o a Ed [figura 20-16(c)].
Transmisión La fracción del haz no reflejada o absorbida se transmite a través del material. Utilizando los pasos siguientes se puede determinar la fracción del haz que se ha transmitido (vea la figura 20-17):
1. Si la intensidad incidente es I 0 entonces la perdida debida a reflexión en la cara frontal del material es RI 0. La fracción de haz incidente que realmente entre en el material es I0 – RI0=(1-R)I0. 2. Una porción del haz que entra en el material se pierde por absorción. La intensidad del haz después de pasar a través de una material con un espesor x es: Idespues de la absorción =(1-R)I0exp(-µx) 3. Antes de que el rayo parcialmente absorbido salga del material, ocurrirá una reflexión en la superficie trasera. La fracción del haz que llega a la superficie trasera y que se refleja es: Ireflejado de la superficie trasera = R(1-R)I0exp(-µx) 4. En consecuencia, la fracción del haz que se transmite totalmente a través del material es: Itransmitida= Idespues de la absorción - Ireflejado de la superficie trasera Itransmitida= (1-R)I0exp(-µx) - R(1-R)I 0exp(-µx) It = I0 (1-R)2exp(-µx) La intensidad del haz transmitido también depende de características microestructurales. La porosidad en los vidrios dispersa los fotones. Los precipitados cristalinos, particularmente aquellos que tienen un índice de refracción muy distinto al material de la matriz, también causan dispersión. Estos opacificadores cristalinos provocan que un vidrio, que normalmente tendría excelente transparencia, se convierta en traslucido e incluso opaco. Por lo general , precipitados o poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los fotones.
Absorción, transmisión o reflexión selectivas Cuando los fotones son absorbidos, transmitidos o reflejados de manera selectiva, se observa un comportamiento óptico fuera de lo común.
En ciertos materiales, el reemplazo de iones normales por elementos de transición o de tierras raras produce un campo cristalino, el cual creo nuevos niveles de energía dentro de la estructura. Este fenómeno ocurre cuando en Al 2O3 los iones Cr +3 reemplazan a los Al +3. Los nuevos niveles de energía absorben luz visible en las proporciones violeta y verdeamarillo del espectro. Las longitudes de onda color rojo son transmitidas, dando así el color rubí. Por esta razón, los laser producidos a partir de rubí dopado con cromo producen un haz característico rojo. También se pueden dopar los vidrios con iones para que produzcan absorciones y transmisiones selectivas (tabla 20-3). Por ejemplo, el vidrio policromático, utilizado para los lentes de sol contiene átomos de plata. El vidrio oscurece a la luz del sol, pero se hace transparente en la oscuridad. A la luz brillante, cada ion de plata gana un electrón excitado por los fotones y se reduce de Ag + a átomos de plata metálica. Por tanto se presenta la absorción de fotones. Cuando la luz incidente disminuye la intensidad, la plata vuelve a convertirse en iones sin que haya absorción.
Fotoconducción En los semiconductores ocurre la fotoconduccion si el material forma parte de un circuito eléctrico. Es este caso, los electrones estimulados producen una corriente en vez de una emisión (figura 20-18). Si la energía de una fotón incidente es suficiente, se excitara un electrón y pasara a la banda de conducción, o se creara un hueco en la banda de valencia, y el electrón o el hueco transportaran carga a través del circuito. La longitud de onda máxima del fotón incidente requerido para que exista Fotoconducción está relacionada con la brecha de energía del material semiconductor.
Las celdas solares son uniones p-n diseñadas de tal manera que los fotones exciten electrones para hacerlos pasar a la banda de conducción. Los electrones se mueven hacia el lado n de la unión, en tanto que los huecos se mueven al lado p de la misma. Este movimiento produce un voltaje de contacto debido al desequilibrio de cargas. Si el
dispositivo de unión es conectado a un circuito eléctrico, la unión funcionara como una batería para dar energía.
20.5. SISTEMAS Y MATERIALES FOTONICOS Los sistemas fotonicos utilizan la luz para transmitir información. Los sistemas telefónicos de comunicación, por ejemplo, utilizan fibras ópticas como medio para transmitir mas mensajesque los que se pueden transmitir con técnicas convencionales. Un sistema fotonico debe generar una señal de luz desde alguna otra fuente, como una señal eléctrica; luego transmitir la luz a un receptor, procesar los datos recibidos y convertirlos en una forma útil (figura 20-19).
Generación de la señal A fin de transmitir y procesar información de la mejor manera, la luz debe ser coherente y monocromática. Por tanto un método ideal para la
generación de fotones es una laser. Semiconductores del III-V como el GaAs, GaAlAs e InGaAsP tienen brechas de energía que proveen fotones en el espectro visible. Los laser construidos con sabe en estos materiales pueden energizarse mediante un voltaje para generar un haz laser. Otro método para producir fotones es utilizar diodos emisores de luz.
Trasmisor del haz Guias de ondas formadas con fibras de vidrio transmiten la luz desde la fuente hasta el receptor. A fin de que las fibras ópticas transmitan eficientemente la luz a largas distancias, el vidrio debe tener una transparencia excepcional y no debe fugarse nada de luz. El índice de refracción es importante al considerar las pérdidas por fugas. La diferencia de índices de refracción ayuda a conservar el haz en el interior del núcleo y este haz recorre la trayectoria que se muestra en la figura 20-20.
Recepción de señal Los diodos emisores de luz que se utilizan para generar señales o los diodos semiconductores de silicio más convencionales, también pueden recibir la señal. Cuando un fotón llega al diodo p-n, un electrón se excita y pasa a la banda de conducción, dejando atrás un hueco. Si al diodo se le aplica un voltaje, la pareja electrón-hueco crea una corriente que se amplifica y posteriormente se procesa. Procesamiento de la señal normalmente la señal recibida es de inmediato convertida en una señal electrónica y a continuación se procesa, utilizando dispositivos semiconductores convencionales basados en silicio. Sin embargo, ciertos materiales como el LiNbO 3 tienen una respuesta óptica no lineal. Cuando se recibe un haz de fotones provenientes de este tipo de material, este puede actuar como un transistor, amplificando señal; como un conmutador (o como una compuerta lógica en una computadora) y controlar la trayectoria del haz. El desarrollo de transistores fotonicos pudiera resultar en una computadora de funcionamiento óptico.
PROPIEDADES ÓPTICAS Y MATERIALES SUPERCONDUCTORES LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO La luz visible es una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda que se extienden desde aproximadamente 0,40 a 0,75 μm. La energía Δ E, la longitud de onda λ y la frecuencia ν de los fotones se se relacionan mediante la ecuación fundamental, en la que h es la constante de Planck(6,62 x 10 -34 J.s) y c
es la velocidad de la luz en el vacío (3 x 10 8 m/s)
REFRACCIÓN DE LA LUZ
Índice de refracción: La figura 1 muestra cómo un rayo de luz que se transmite en el aire disminuye su velocidad cuando entra en un medio más denso como es un vidrio; así, el ángulo de incidencia para el rayo de luz es mayor que el ángulo refractado para este caso.
La velocidad relativa de la luz que pasa a través de un medio es expresada por el índice de refracción(n) que se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y a velocidad en el medio considerado (v).
Ley de Snell de la refracción de la luz: los índices de refracción para la luz que pasa de un medio de índice n a otro de índice n’ están relacionados con los ángulos de incidencia in cidencia ø y de refracción ø’ por p or la relación
Cuando la luz pasa e un medio a otro con un índice de refracción mas bajo, existe un ángulo critico de incidencia ø c corresponde a ø’ (refracción) = 90, por definición.
ABSORCIÓN, TRANSMISIÓN Y REFLEXIÓN DE LA LUZ La fracción de luz transmitida por un material determinado depende la cantidad de luz reflejada y absorbida por el mismo. Para una determinada longitud de onda λ, la suma de
las fracciones de la luz incidente que es reflejada, absorbida y transmitida es igual a 1. (fracción reflejada) λ + (fracción absorbida) λ + (fracción transmitida) λ = 1
Metales: Excepto para secciones muy finas, los metales reflejan y/o absorben fuertemente la radiación incidente desde longitudes de ondas largas hasta la mitad del rango ultravioleta. Vidrios de sílice fundido: -
Reflexión de luz desde una superficie de vidrio. La porción de luz incidente que se refleja en una superficie de una placa de vidrio pulido es muy pequeña. Esta cantidad depende principalmente del índice de refracción del vidrio y del ángulo de incidencia de la luz sobre el vidrio. Para una incidencia de luz normal, la fracción de luz reflejad R ( reflectividad ) se determina por la relación:
( )
-
Absorción de luz por una lámina de vidrio. La relación entre la fracción de luz incidente, I 0 , y la fracción de luz emergente, I , de una lámina o placa de vidrio de espesor t y que está libre de centros de dispersión es:
Plásticos Muchos plásticos no cristalinos tienen excelentes transparencias; sin embargo en algunos hay regiones cristalinas que tienen mayor índice de refracción que las regiones no cristalinas. Las múltiples reflexiones internas en las regiones cristalinas reducen la transparencia de los plásticos parcialmente cristalinos.
Semiconductores Los semiconductores son opacos a los fotones de energías altas e intermedias y transparentes a fotones de baja energía(largas longitudes de onda).
LUMINISCENCIA La luminiscencia puede ser definida como el proceso por el cual una sustancia absorbe energía y después, espontáneamente, emite radiación en el espectro visible cercano a éste. Si la emisión tiene lugar dentro de 10 -8 s después de la excitación, se llama fluorescencia, y si dura más de 10 -8 s se denomina fosforescencia.
La luminiscencia se produce por materiales llamados fosforescentes que son capaces de absorber radiaciones de onda corta y alta energía, y emitir espontáneamente radiación luminosa de longitud de onda más larga y energía más baja. El espectro de emisión de los materiales luminiscentes se controla industrialmente añadiendo impurezas llamadas activadores.
Fotoluminiscencia En una lámpara fluorescente normal, la fotoluminiscencia fotoluminiscenci a convierte radiación ultravioleta de un arco de mercurio de baja presión en luz visible usando un material fosforescente halofosfatado.
Un halofosfato de calcio con cerca del 20% de los iones F – sustituidos por iones Cl -, es utilizado como material fosforescente huésped en la mayoría de las lámparas.
Cátodo – luminiscencia Este tipo de luminiscencia es producido por un cátodo energizado que genera un haz de electrones de alta energía. Entre las aplicaciones de este proceso tenemos el microscopio electrónico, el osciloscopio de rayos catódicos, y las pantallas de televisión en color. Los materiales que se utilizan normalmente para los colores son sulfuro de zinc con un aceptor de Ag+ y un donante de Cl – para el color azul, (Zn, Cd)S con un aceptor de Cu + y un donante de Cl 3+ para el color verde, y oxisulfuro de itrio con un 3% de europio para el color rojo. Los materiales fosforescentes deben conservar algunos brillos de imagen hasta el siguiente barrido, pero no deben conservar demasiados ya que quedaría borrosa la imagen.
La intensidad de luminiscencia, , se da por: ln
=
EMISIÓN ESTIMULADA DE RADIACIÓN Y LÁSER En estas fuentes, los átomos emiten fotones de longitudes de onda similares, pero independientemente y al azar. Consecuentemente, la radiación emitida está en direcciones aleatorias y los frentes de onda están desfasados entre sí. Este tipo de radiación se llama
Por el contrario, una fuente de luz llamada láser produce un haz de radiación cuyas emisiones de fotones están en fase, es decir, son coherentes y además son paralelas, direccionales y monocromáticas (o cuasimonocromáticas). La palabra láser es una abreviatura de las primeras letras de los términos en inglés que se usan para la descripción
incoherente.
de este tipo de radiación: “Light Ampification by Stimulated Emission of Radiation”, que viene a ser “Amplificación luminosa por emisión estimulada de radiación”
El láser de rubí mostrado esquemáticamente en la Figura, es un monocristal de óxido de aluminio que contiene aproximadamente 0,05% de iones Cr 3+ . Los iones Cr 3+ ocupan sitios en la estructura del Al 2O3 cristalino y son responsables del color rosa de la barra del láser. Estos iones actúan como centros fluorescentes que cuando están excitados caen a niveles de menor energía, originando emisiones de fotones a longitudes de onda específicas.
Una lámpara de destello de xenón proporciona la energía suficiente para excitar los electrones del ión Cr 3+; ésta acción se denomina bombardear al láser. El rayo láser producido por la barra de cristal de óxido de aluminio con impurezas de Cr 3+ (rubí) tienen una longitud de onda de 694,3 nm, que es una línea visible roja. Este tipo de láser, que puede funcionar intermitentemente en ráfagas, es conocido como tipo pulsado. Por el contrario, la mayoría de los láseres funcionan como un haz continuo y se denominan láseres de onda continua.
Tipos de láser Láser de rubí: Este láser no es muy usado actualmente por las dificultades en la fabricación de las barras de cristal. Láser de neodimio-YAG: El láser de neodimio-itrio-aluminio-granate se construye combinando Nd en una base de cristales YAG. Este láser tiene una longitud de onda de 1,06 μm y con una potencia continua de 250 W. El láser tiene la ventaja de su gran
conductividad térmica para eliminar el exceso de calor. Se usan en el procesado de metales tales como cortar, soldar, etc.
Láser semiconductor: O diodos láser, tienen el tamaño de un grano de sal. Constan de una unión pn con un componente semiconductor como GaAs. Las interfaces aire-cristal producen las reflexiones necesarias para el funcionamiento del láser, debido a las diferencias de índice de refracción del aire y el GaAs. El diodo láser consigue la inversión de población con una fuerte polarización directa aplicada a una unión pn muy dopada. Se genera entonces un gran número de pares electrón – hueco, y muchos de estos se recombinan de nuevo para emitir fotones de luz. FIBRAS ÓPTICAS Las fibras ópticas (con el espesor de un fino cabello) fabricadas en vidrio de sílice(SiO 2) son los elementos fundamentales de los sistemas de comunicación modernos. Constan esencialmente de un trasmisor(un diodo láser) para convertir las señales eléctricas en luminosas, una fibra óptica para transmitir las señales luminosas y un fotodiodo para convertir éstas nuevamente a eléctricas.
Pérdida de luz en fibras ópticas: En las fibras ópticas la pérdida de luz debe ser mínima, y para esto, las impurezas (Fe 2+) en el vidrio de SiO 2 deben ser muy bajas. La pérdida de luz de un material transmisor, en dB/Km, es una transmisión de luz sobre una longitud l, está relacionada con la intensidad luminosa inicial I 0 y la final I por la ecuación: Atenuación =
Fibras ópticas monomodo y multimodo La retención de luz dentro de la fibra es posible porque la luz pasa a través del núcleo central que tiene un índice de refracción mayor que la cubierta de vidrio exterior. En las de tipo monomodo con un núcleo de 8 μm de diámetro y una cubierta de 125 μm hay un solo camino posible para el haz de luz. En las multimodo pasan muchos tipos de onda simultáneamente y por lo tanto la señal de salida es mucho más dispersa que en la monomodo.
Fabricación de la fibra óptica El método más importante es el proceso de deposición química de vapor (MCVD). En este proceso se hace pasar vapor seco de alta pureza de SiCl 4 con varios contenidos de vapor de GeCl4 e hidrocarburos fluorados a lo largo de un tubo rotatorio de sílice pura con oxígeno puro. Un quemador exterior de oxihidrógeno se mueve a lo largo del diámetro exterior del tubo permitiendo que los contenidos reaccionen para formar partículas de vidrio de silicio dopadas con las combinaciones deseadas de germanio y flúor. El GeO 2 incrementa el índice de refracción del SiO 2 y el fluoruro lo baja. Luego de la región de reacción, las partículas de vidrio migran hacia la pared del tubo, donde se depositan. El movimiento del soplete que ha producido la reacción de formación de las partículas de vidrio, cuando pasa sobre ellas, las sintetiza en una capa delgada de vidrio dopado. El espesor de la capa dopada depende del número de capas que se han depositado en los sucesivos pases del soplete.
La siguiente etapa en el tubo de sílice es un calentamiento hasta una temperatura suficientemente alta para que los vidrios se aproximen a su unto de reblandecimiento. La tensión superficial hace que el tubo con las capas depositadas tienda uniformemente a una varilla sólida que se llama preforma; la cual después se introduce en un horno de alta temperatura, para forjarla en una fibra de vidrio alrededor de 125 μm. Luego se aplica un recubrimiento de polímeros de 60 μm de espesor con el fin de proteg er la superficie del
vidrio de los posibles daños.
Sistemas de comunicación por fibra óptica La mayoría utilizan fibras monomodo junto con un transmisor de diodo láser de doble heterounión de InGaAsP y un fotodiodo de InGaAs/InP PIN para el detector. Con este
sistema, las señales ópticas pueden ser enviadas hasta unos 40 Km antes de que la señal tenga que ser reenviada. Otro gran avance se ha debido a la introducción de los amplificadores de fibra óptica erbiodopados (AFEDs). Un AFED es una lente(normalmente sobre 20 a 30 m) de fibra óptica de silicio dopado con un elemento perteneciente al grupo de las tierras raras, el erbio, para mejorar la fibra. Cuando bombeamos ópticamente con luz procedente de un láser semiconductor externo, la fibra óptica erbio-dopada aumenta todas las señales que pasan por ella concentradas en 15 μm. Sirven como medio para el láser como conductora co nductora de luz;
también pueden usarse en sistemas de transmisiones ópticas. MATERIALES SUPERCONDUCTORES
El estado superconductor La alta resistividad eléctrica de un metal decrece uniformemente mientras disminuye la temperatura. En cambio, la resistividad eléctrica del mercurio, cuando su temperatura alcanza 4,2 K, desciende bruscamente hasta un valor muy pequeño. Este fenómeno se conoce con el nombre de superconductividad. La temperatura por debajo de la cual la resistividad eléctrica de un material se aproxima a la del cero absoluto se llama temperatura crítica T c . Por encima de esta temperatura al material se le llama normal y por debajo de esta se dice que es superconductor. El estado de superconductividad también depende del campo magnético (B) y la densidad de corriente (J); por lo tanto, para que un material sea superconductor, la T c , el campo magnético y su densidad de corriente críticas no deben ser superadas.
Propiedades magnéticas de los superconductores El campo magnético necesario para restablecer la conductividad eléctrica normal se llama campo crítico H c .Hay que mencionar también que un densidad de corriente alta puede eliminar la superconductividad en los materiales. La curva de H c frente a la temperatura puede aproximarse por:
Donde
[() ]
es el campo crítico a 0 0K
Según su comportamiento frente al campo magnético, los superconductores se clasifican en superconductores de tipo I y de tipo II. Si un superconductor del tipo I como el Pb o Sn se coloca en un campo magnético a temperatura ambiente, el campo magnético penetrará normalmente a través del metal; y si la temperatura se reduce por debajo de T c y si el campo magnético está por debajo de H c , el campo magnético será expulsado del material Efecto Meisnner) ( Efecto
Los superconductores del tipo II son altamente diamagnéticos, por encima de un campo magnético llamado crítico inferior H c1 c1 , y en estas condiciones el flujo magnético es rechazado del material.
Flujo de corriente y campo magnéticos en superconductores Los superconductores del tipo I son malos transportadores de electricidad debido a que el campo magnético sólo puede penetrar la capa superficial u la corriente sólo puede fluir en esta capa. Lo mismo sucede con los del tipo II debajo de H c1 , pero en estado mixto (H c2), cuando se le aplica un campo magnético, el campo atraviesa el superconductor en forma de haces individuales de flujo cuantizado llamados fluxoides.
Superconductores de campo y corriente alta La aleación Nb-45% en peso de Ti y el compuesto Nb 3Sn han llegado a ser los materiales básicos en la tecnología actual de superconductores de corriente y campos altos. Los cables comerciales están hechos de varios filamentos de NbTi de 25 μm de diámetro embebidos en una matriz de cobre, con la finalidad de estabilizar el cable superconductor durante la operación y así el material ya no vuelva a su estado normal. Entre las aplicaciones de los superconductores NbTi y Nb 3Sn se incluyen sistemas de imágenes magnético-nucleares para el diagnóstico médico y la levitación magnética de trenes de alta velocidad. Los imanes superconductores de alto campo se usan en aceleradores de partículas en los campos de física de altas energías.
Óxidos superconductores de alta temperatura crítica (Tc) El material de alta Tc más estudiado ha sido el YBa 2Cu3Oy , cuya estructura es la de la “perovskita”.
Cuando y = 6,9, su Tc es la más elevada ( ~ 90K), y para y = 6,65 la superconductividad desaparece. Cuando se enfría lentamente el compuesto YBa 2Cu3Oy por encima de 750 oC en presencia de oxígeno, sufre un cambio desde una estructura cristalina tetragonal a ortorrómbica. Para obtener valores altos de Tc, los átomos de oxígeno de los planos (001) deberán estar ordenados. La micrografía TEM muestra la colocación de átomos de Y y Ba en el YBa2Cu3Oy
Micrografía TEM en la dirección [100] a lo largo de las cadenas cobre-oxígeno y las filas de átomos de Ba e Y en la celdad unidad.
Desde el punto de vista ingenieril, los nuevos superconductores de alta Tc se muestran prometedores en la consecución de avances técnicos. Con una Tc = 90 K el nitrógeno líquido puede ser usando como refrigerante. Las primeras aplicaciones de éstos materiales serán en tecnologías de películas finas.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Facultad De Ingeniería Ingeniería
Escuela de Ing. De Materiales
TEMA
:
“Resumen
de comportamiento óptico de los
materiales, propiedades ópticas y materiales semiconductores”
CURSO
:
Fundamentos de ciencia de materiales III
DOCENTE
:
Ing. Iván E. Vázquez Alfaro
ALUMNO
:
VALDIVIA TORRES, Eduardo
CICLO
:
FECHA
:
VI
27 de Octubre
Trujillo – Perú 2011
