3 Diapo_Componentes inst_C6

Vista previa del material en texto

Componentes de los 
instrumentos ópticos
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS INSTRUMENTOS
PARA ESPECTROSCOPÍA ÓPTICA
1_ Fuentes de ER
2_ Selectores de longitudes de onda o monocromadores
3_ Recipientes para la muestra
4_ Detectores de radiación
5_ Procesadores de señal y dispositivos de lectura
• Debe generar un haz que tenga suficiente intensidad (POTENCIA)
para ser detectado y medido.
• La señal de salida debe ser estable y reproducible
Fuentes de Energía Radiante
• FUENTES CONTINUAS
• FUENTES DE LÍNEAS
LÁMPARAS DE EMISIÓN CONTINUA
Lámpara de W 350-2200 Vis
Lámpara de D2 y H2 160- 380 UV
Lámpara de Xe 250-600 UV-Vis
Lámpara de halógeno 240-2500 UV-Vis-IR
Lámpara de Nerst 400-20000 Vis-IR
LÁMPARAS DE EMISIÓN DE LÍNEAS
Lámpara de cátodo hueco UV-Vis Absorción atómica
Fluorescencia atómica
laser UV-Vis
FUENTES CONTINUAS:
• SOLIDOS INCANDESCENTES
• GASES
FUENTES de EMISIÓN CONTINUA
FUENTES DE SÓLIDOS INERTES
• Es la fuente más comúnmente usada en el Vis. E IR cercano (320-2500 nm)
• Su potencia varia con la cuarta potencia del voltaje, por lo que es necesario
un estabilizador
LÁMPARA DE FILAMENTO DE TUNGSTENO
Un globar es una varilla de carburo de silicio que por lo general mide
5 cm de longitud y 5 mm de diámetro.
Se calienta también eléctricamente (1300 a 1500 K), y tiene la ventaja de 
poseer un coeficiente de resistencia positivo. Por otra parte, es necesario 
enfriar los contactos eléctricos con agua para evitar la formación de un arco. 
Las energías espectrales del globar y del emisor de Nernst son semejantes.
Fuente globar
Esta constituido por óxidos de tierras raras conformadas en un cilindro de 
diámetro de 1 a 3 mm y una longitud de 2 a 5 cm. En los extremos del cilindro 
hay unas terminales de platino que están selladas para permitir la conexión 
eléctrica a lo que equivale a un elemento de calentamiento resistivo. 
Cuando la corriente atraviesa este dispositivo se alcanzan temperaturas 
comprendidas entre 1200 y 2200 K. El coeficiente térmico de la resistencia 
eléctrica del emisor de Nernst es muy negativo, y debe calentarse externamente 
hasta un color rojo pálido antes de que la corriente sea lo bastante alta para 
conservar la temperatura deseada.
Debido a que la resistencia disminuye con el aumento de temperatura, el 
circuito de la fuente se tiene que diseñar para limitar la corriente; si no fuera 
así la lámpara se calentaría tanto que se destruiría.
Emisor de Nernst
FUENTES CONTINUAS: GASES
Las lámparas de arco de alta presión llenas de gas, que puede ser argón, xenón 
o mercurio, se usan cuando se requiere una fuente muy intensa.
D2 + E D’ + D + hn
El balance de energía para el proceso es:
E = ED2* = ED +ED + hn
La suma de las energías cinéticas de D y D puede variar desde 0 a ED2*
De esta manera se obtiene un espectro continuo entre 160 y 380 nm aprox.
LÁMPARA DE DEUTERIO Y DE HIDROGENO
(160- 380nm)
Para la región espectral
del infrarrojo lejano (l  50
μm), ninguna de las
fuentes térmicas descritas
hasta aqui proporciona
suficiente energia radiante
para una detección
apropiada.
En este caso se utiliza un
arco de mercurio de alta
presión que consta de un
tubo revestido con cuarzo
que contiene vapor de
mercurio a una presión
mayor que una atmosfera.
El paso de la electricidad a
través del vapor origina
una fuente de plasma
interna que proporciona
una radiación continua en
la región del infrarrojo
lejano.
ARCO DE MERCURIO
-Lámpara de vapor de sodio
-Lámpara de cátodo hueco
-Laser
FUENTES DISCONTINUAS
LÁMPARA DE VAPOR DE SODIO
LÁMPARA DE 
CÁTODO HUECO
Los rayos laser son fuentes muy utilizadas debido a sus alta intensidad, 
sus anchos de banda angostos y la naturaleza coherente de sus haces
El primer laser se construyo en 1960.
VIDEO: La potencia del laser
FUENTES DE RAYOS LÁSER
LASER : 
light amplification by stimulated emission of 
radiation
Es un haz de radiación altamente monocromático con ancho de banda de 
0.01 nm o menos y con coherencia notable.
COMPONENTES DE LOS RAYOS LÁSER
El corazón del dispositivo puede ser
• semiconductor como el arseniuro de galio
• solución de un colorante orgánico
• gas como el argón o el kriptón
• rubí
VIDEO: Laser de Rubí
MECANISMOS DE ACCIÓN LÁSER
Los rayos laser pueden ser moleculares, 
atómicos o iónicos.
Se consideran cuatro procesos: 
a)bombeo
b)emisión espontanea (fluorescencia)
c)emisión estimulada 
d)absorción. 
A) Bombeo. Es un proceso en el cual la especie activa de un 
rayo láser es excitada por medio de una descarga eléctrica, el 
paso de una corriente eléctrica o la exposición a una fuente 
radiante intensa. En los láseres de gas se conecta a un par de 
electrodos dentro de una celda llena del gas.
B) Emisión espontánea
la emisión espontánea es un proceso aleatorio; por consiguiente,
la radiación de fluorescencia producida difiere
en dirección y fase de la producida por las dos especies. Por
tanto, la emisión espontánea produce radiación monocromática
incoherente.
C) Emisión estimulada. 
El fotón emitido tiene la misma frecuencia que el fotón incidente.
Viaja en la misma dirección y esta precisamente en fase con el 
fotón que ocasiono la emisión. Por tanto, la emisión estimulada es 
coherente con la radiación incidente.
VIDEO: Laser principle
D) Absorción
El proceso de absorción, compite con la emisión estimulada.
En este caso, dos fotones cuyas energías son exactamente 
iguales a (Ey Ex) son absorbidos para producir el estado 
excitado metaestable.
Para que haya amplificación, el numero de fotones producidos
por emisión estimulada tiene que sobrepasar la cantidad
perdida por absorción.
Esta condición se da cuando la cantidad de partículas en el
estado energético superior excede la cantidad en el inferior;
en otras palabras, debe haber una inversión de la población a
partir de la distribución normal de los estados energéticos.
Las inversiones de la población se crean por bombeo.
INVERSIÓN DE LA POBLACIÓN Y
AMPLIFICACIÓN DE LUZ
LASER RUBÍ
El primer rayo laser satisfactorio. El rubí es principalmente Al2O3
pero contiene alrededor de 0.05% de cromo(III),
distribuido entre los espacios del retículo cristalino de aluminio(III),
lo cual explica el color rojo.
Los iones de cromo(III) son el material generador activo del rayo.
Los primeros rayos laser se construyeron con una varilla de rubí de
4 cm de largo por 0.5 cm de diámetro.
Una lámpara de xenón de baja presión, que producía destellos
intensos de luz de 694.3 nm.
LASER ND-YAG 
cristal YAG (Yttrium Aluminium Garnet) dopado con 
neodimio trivalente, es uno de los mas usados. El medio de 
generación del rayo es de iones de neodimio alojados en un cristal 
de granate que contiene aluminio e itrio.
RAYOS LASER DE ESTADO SÓLIDO 
RAYOS LASER DE GAS
Estos dispositivos pueden ser de cuatro tipos:
1) laser de átomos neutros como He-Ne
2) laser de iones en los cuales la especie activa es Ar+ o Kr+
3) rayos laser de moléculas en los cuales el medio de 
generación es CO2 o N2
4) rayos laser excimeros. 
El rayo laser de helio-neón es el mas común porque su bajo 
costo. Es muy confiable y consume poca energía. La más 
importante de sus líneas de salida es a 632.8 nm. Funciona de 
modo continuo y no con pulsos.
contienen una mezcla gaseosa de helio, flúor y uno de los 
gases raros: argón, kriptón o xenón. 
El gas raro se excita electrónicamente mediante una 
corriente y enseguida reacciona con el flúor para formar 
especies excitadas, como:
ArF*, KrF*, o XeF* 
a los que se les llama excimeros porque son estables solo 
en el estado excitado. 
Puesto que el estado fundamental del excimero es 
inestable, la disociación rápida de los compuestos se 
presenta cuando al relajarse ceden un foton. 
Los rayos laser de excimeros producen pulsos de alta
energia en el ultravioleta (351 nm para XeF, 248 nm
para KrF y 193 nm para ArF).LOS RAYOS LASER EXCIMEROS 
VIDEO: Laser helio neón
Se han vuelto fuentes de radiación continua en un intervalo
de 29 a 50 nm.
Al cambiar los colorantes, los valores de longitud de onda
de un rayo laser de colorante se pueden ajustar para que
sean amplios.
Los materiales activos en los rayos laser de colorante son
disoluciones de compuestos orgánicos capaces de
manifestar fluorescencia en las regiones ultravioleta,
visible o infrarroja.
Los rayos laser de colorante se pueden operar en el modo
de impulsos o en el modo de onda continua.
RAYOS LASER DE COLORANTES
VIDEO: SemiC_1
RAYOS LASER DE DIODOS SEMICONDUCTORES 
VIDEO: SemiC_2
VIDEO: SemiC_3
VIDEO: Laser semiconductor
VIDEO: Diodo 3D
materiales de construcción
Recipientes para la muestra: Cubetas
• No deben absorber ER
• Para el UV se utilizan de cuarzo (SiO2 ) (l menores que 350 nm)
• Para el Visible se utilizan de vidrio-silicato (350-2000 nm)
• En el visible también se usan cubetas de plástico
• Deben tener paredes homogéneas
• En general tienen 1 cm de espesor. Pero se fabrican desde 0,5 
a 10 cm
Monocromadores: materiales de construcción
• Filtros: 
a) de absorción
b) de corte 
c) de interferencia
• Monocromadores propiamente dichos: 
a) redes de difracción
b) prismas
SELECTOR DE LONGITUD DE ONDA
O MONOCROMADOR
_ Debe dejar pasar la menor cantidad de
longitudes de onda
_ No debe disminuir la potencia del haz de ER
Un grupo limitado,
estrecho y continuo
de longitudes de
onda se denomina
banda
FILTROS DE ABSORCIÓN
_ se usan en el visible
_ son baratos
_ son vidrios coloreados o una suspensión de gelatina
coloreada
_ tienen anchos de banda entre 30 y 80 nm
_ absorben gran parte de la ER incidente
FILTROS DE CORTE
_transmiten casi el 100%
_ disminuyen la transmitancia a determinadas l
FILTROS DE INTERFERENCIA
Se fundamenta en interferencias ópticas para producir 
bandas estrechas de radiación. 
El dieléctrico transparente es de CaF2 o MgF2, el 
espesor de esta capa determina la longitud de onda 
saliente.
cos Ѳ = d / distancia 1´2
Distancia 1 2 = d/ cos Ѳ distancia total: 2 d/ cos Ѳ
Distancia 2 2 = d/ cos Ѳ
Para que la interferencia sea constructiva n l = 2 d/ cos Ѳ
Donde n es un numero entero pequeño
CUÑA DE INTERFERENCIA
Es semejante al filtro de interferencia, solo que cambia la forma.
La longitud de onda transmitida varía de un extremo al otro en 
función del espesor.
Se obtienen anchos de banda de 20 nm.
Se disponen de cuñas de interferencia para la región del visible 
(400 a 700 nm) y para el IR cercano (1000 a 2000 nm)
Monocromadores propiamente dichos
MONOCROMADORES DE PRISMA
REDES DE DIFRACCIÓN
_ Pueden utilizarse en el UV, Vis. e IR
_ Consiste en una superficie ópticamente plana,
altamente pulida con estrías paralelas
_ En el UV-Vis tienen entre 2000 y 6000 estrías por cm2
_ En el IR tienen entre 10 y 200 estrías por cm2
COMPONENTES DE LOS MONOCROMADORES
BARRIDO ESPECTRAL
DETECTORES 
Y
TRANSDUCTORES
_ Responden a la ER
_ Responden al calor
Los detectores de fotones (foto-detectores o detectores 
foto-eléctricos o cuánticos) tienen una superficie activa 
capaz de absorber radiación. 
En algunos casos la energía absorbida causa emisión de 
electrones y el desarrollo de una corriente. 
En otros se da una promoción de electrones a bandas de 
conducción (aumento de la conductividad)
Deben tener
• Elevada sensibilidad
• Respuesta constante en un intervalo considerable de l
• Tiempo de respuesta rápido
• En ausencia de luz: señal de salida igual a cero
• Señal eléctrica producida debe ser proporcional a la
potencia del haz incidente:
S = k P
muchos detectores en ausencia de luz presentan una respuesta 
pequeña y constante que se conoce como corriente oscura:
S = k P+ kd
CELDA FOTOVOLTAICA O DE CAPA-BARRERA
Cuando sobre el semiconductor incide una ER se rompen los enlaces covalentes, con lo 
que se forman electrones y huecos conductores. Los electrones migran hacia la película 
metálica y los huecos hacia la base.
Esto genera una corriente eléctrica que es proporcional al numero de fotones incidentes 
La corriente generada se mide con un micro amperímetro
_
Presenta:
• máxima sensibilidad a 550 nm
• Baratas y robustas. Se usan en instrumentos 
sencillos y portátiles
• No requieren fuente de alimentación externa
• Debido a la pequeña resistencia interna se dificulta 
la ampliación de la señal
• Durante una iluminación continuada manifiestan 
fatiga
FOTOTUBO DE VACÍO
_ el numero de electrones emitidos por la superficie foto emisora es directamente 
proporcional a la potencia del haz incidente.
_ los electrones llegan al ánodo. Se aumenta el potencial hasta que se alcanza el 
voltaje de saturación, donde todos los electrones son recogidos en el ánodo
_ los fototubos suelen funcionar a unos 90 V
_ presentan corriente oscura
Sustancias foto 
emisoras:
_ altamente sensibles:
K/Cs/Sb (117)
_ sensibles al rojo
Na/K/Cs/Sb
Ag/O/Cs (S11)
_ de respuesta plana
Ga/As (128)
Tubos Fotomultiplicadores (PTM)
_ El Dinodo 1 esta a 90 V
_ El Dinodo 2 tiene una diferencia de 90 V (más positivo) que el Dinodo 1
_ Finalmente se originan 106 a 107 electrones por cada fotón incidente
_ La corriente generada puede ser amplificada electrónicamente
_ son sensibles al calor
_ miden radiación de baja potencia. La luz intensa causa daños irreversibles en la 
superficie fotoeléctrica. 
_ Pueden llegar a detectar un solo fotón 
BIBLIOGRAFÍA:
CAPÍTULO SIETE. Componentes de los instrumentos ópticos
7A DISENOS GENERALES DE INSTRUMENTOS OPTICOS
7B FUENTES DE RADIACIÓN
7B.1 / 7B.2/ 7B.3 /
7C SELECTORES DE LONGITUD DE ONDA
7C.1 / 7C.2
7E TRANSDUCTORES DE RADIACION
7E.2 Transductores de fotones
VIDEOS
Potencia del laser: https://youtu.be/AKeONzGFhho
Laser principle: https://youtu.be/6FeZ1A0_Zm0
Laser de rubí: https://www.youtube.com/watch?v=cXKhIrH16ng&feature=youtu.be
Laser de helio neón: https://youtu.be/UWj3OA6xDjw
SemiC_1: https://youtu.be/H7bXftSQDEM
SemiC_2: https://youtu.be/10vo-IwvMpo
SemiC_3: https://youtu.be/fGRSzo0HMVY
SemiC_4: https://youtu.be/pDESXe94FR8
Laser semi conductor: https://youtu.be/ZxZ4DdmRKos
Diodos 3D: https://youtu.be/Du53PWEf1fM
Red de difracción: https://youtu.be/2ccQATUVTME
Fototubo multiplicador: https://youtu.be/xDgCz6qcS4k
https://youtu.be/AKeONzGFhho
https://youtu.be/6FeZ1A0_Zm0
https://www.youtube.com/watch?v=cXKhIrH16ng&feature=youtu.be
https://youtu.be/UWj3OA6xDjw
https://youtu.be/H7bXftSQDEM
https://youtu.be/10vo-IwvMpo
https://youtu.be/10vo-IwvMpo
https://youtu.be/10vo-IwvMpo
https://youtu.be/fGRSzo0HMVY
https://youtu.be/pDESXe94FR8
https://youtu.be/ZxZ4DdmRKos
https://youtu.be/Du53PWEf1fM
https://youtu.be/2ccQATUVTME
https://youtu.be/xDgCz6qcS4k