La luz está formada por ondas, que se propaga en todas direcciones y siempre en línea recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a través del vacío y se llaman ondas electromagnéticas. Dentro del espectro electromagnético, las longitudes de onda que pueden ser percibidas por el ojo humano, se les conoce como luz visible ya que esta radiación electromagnética es capaz de afectar el sentido de la visión. El sol es la fuente luminosa natural de la tierra. Como la luz blanca en realidad está compuesta por siete colores, de acuerdo al tipo de luz que absorben y que reflejan, vemos los objetos de diferentes colores.
Las longitudes de onda de la luz visible se midieron en la primera década del siglo XIX, mucho antes de que se imaginase que la luz era una onda electromagnética. Se encontró que sus longitudes de onda estaban entre 4.0 x m). Las frecuencias de los rayos de luz visibles se pueden encontrar utilizando la ecuación 1.1.
fλ= c (E. 1.1)
Donde f y λ son la frecuencia y la longitud de onda, respectivamente. Aquí, c es la velocidad de la luz, 3.00x
Al igual que la luz visible, existen distintos tipos de radiación electromagnética, los cuales pueden arreglarse en una secuencia bien determinada: ondas de radio, luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La diferencia entre estos distintos tipos de radiación es su "longitud de onda". Las ondas de radio tienen una "longitud de onda" mayor (desde miles de metros hasta un milímetro), mientras que los rayos gamma tienen longitudes de onda menores que el tamaño de un átomo. Así como la "banda electromagnética" de luz visible se separa en los distintos colores, como se muestra en la Figura 1.1, cada una de las otras "bandas" (radio, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y gamma) puede separarse en componentes. El ejemplo mas familiar es el de las ondas de radio que incluyen las bandas de AM y FM, las de televisión (en las cuales encontramos las de muy alta frecuencia, VHF, y de ultra alta frecuencia, UHF), las bandas de radar y las microondas, como se muestra en la Figura 1.2.
Figura 1.1: Colores del intervalo visible
E = energía del fotón c = velocidad de la luz 3x108 m/s
=
Figura 1.2: El espectro electromagnético.
Cabe mencionar que la naturaleza de la luz, no es fundamentalmente diferente de las otras radiaciones electromagnéticas, la característica que distingue a la luz de otras radiaciones es su energía, el contenido energético de la luz varía de casi 2.8 a 5x
No se pretende aquí realizar un estudio riguroso a cerca de la radiación electromagnética. Simplemente se recordarán algunos conceptos básicos.
- La radiación electromagnética está formada por fotones.
- Cada fotón lleva asociada una energía que se caracteriza por su longitud de onda según la ecuación 1.2.
E=hc/λ (E.1.2)
donde: E = energía del fotón c = velocidad de la luz 3x108 m/s
h = constante de Planck (6.626x j/s) λ = longitud de onda del fotón.
El numerador de la ecuación 1.2 es una constante. Por eso, la energía de un fotón es mayor cuanto menor sea la longitud de onda, que se encuentra en el denominador.
A menudo nos encontramos con la necesidad de detectar y/o cuantificar la energía luminosa presente ya sea en el medio o bien en un sistema que utiliza la luz para trasmitir información; cuando esta situación se presenta, el diseñador tiene a su disposición una variedad de elementos eléctricos o electrónicos conocidos como transductores optoelectrónicos para realizar esta tarea. Y la elección de cualquiera de ellos depende de la naturaleza y requerimientos de la aplicación especifica, por ello la importancia que hoy en día adquiere la optoelectrónica, ya que es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos.
Los transductores Optoelectrónicos, son aquellos cuyo funcionamiento esta relacionado directamente con la luz, es decir, son aquellos dispositivos capaces de convertir energía luminosa en eléctrica o viceversa. Es posible clasificar estos elementos también conocidos como fotodetectores o sensores de luz, según el mecanismo mediante el cual responden a la luz incidente, en base a esto se les clasifica en 3 categorías que son:
a) Detectores Semiconductores.- Como el diodo de unión o el resistor dependiente de la luz, en los cuales los electrones son excitados de la banda de valencia a la banda de conducción del material fotosensible.
b) Detectores fotoemisores.- Caracterizados por el tubo fotomultiplicador, en los cuales los electrones son rechazados de un material fotosensible por la irradiación de luz.
c) Detectores Térmicos.- Como la termopila basada en el efecto de calentamiento producido por la luz para elevar la temperatura del material irradiado, con el cambio consecuente en una o más de sus propiedades.
Para todos los objetivos de la optoelectrónica el detector semiconductor es imprescindible. Su bajo costo, pequeño tamaño, aguante y bajos requisitos de energía, su ancho intervalo espectral, aceptable sensibilidad y rápida respuesta casi lo convierten en el detector optoelectrónico ideal. Sin embargo, hay ocasiones en las que el detector semiconductor no es la mejor elección.
Resulta atractivo el uso de los detectores fotoemisores y más concretamente del tubo fotomultiplicador cuando la fuente de iluminación es débil y solo se dispone de unos cuantos microwatts de potencia óptica, pese a que estos son voluminosos, frágiles y requieren fuente de alimentación de alto voltaje. Este tipo de sensores, basan su funcionamiento en la propiedad que tienen algunos materiales, especialmente los metales alcalinos como Sodio, Litio, Cesio y sus aleaciones, los cuales liberan electrones de su superficie cuando son iluminados por una fuente de luz externa. Este es el bien conocido fenómeno de la Emisión fotoeléctrica y es la base de la operación de los detectores fotoemisivos como el fototubo de vacío, el fototubo de gas y el fotomultiplicador, este último es de mayor uso en la optoelectrónica moderna por lo que a continuación se describe.
Los electrones son rechazados por la superficie fotosensible cuando los fotones incidentes tienen suficiente energía para liberar el electrón de su enlace y removerlo del material como se indica en la Figura 1.3 esta energía corresponde a la diferencia de energía entre la parte de la banda de valencia y el nivel de ionización del material, por lo que representa la mínima energía requerida para expulsar un electrón de la superficie fotosensible. La consecuencia de este comportamiento es que existe una longitud de onda umbral, o de corte, por encima del cual no se emiten fotoelectrones. Esta condición puede expresarse como:
=
Donde
Figura 1.3: Emisión fotoeléctrica de un metal alcalino
Los tubos fotomultiplicadores suelen constar de una superficie fotosensible, denominada fotocátodo, una serie de electrodos secundarios denominados dínodos y un colector de fotoelectrones, el ánodo como se indica el la figura 1.4. La luz incide sobre el fotocátodo el cual expulsa electrones de la superficie. El potencial eléctrico entre el cátodo y el ánodo aceleran los fotoelectrones hacia la cadena de dínodos, cada uno de estos, está a un potencial ligeramente superior que su antecesor. A medida que un electrón golpea un dínodo se produce cierta cantidad de electrones secundarios, cada uno de los cuales produce más electrones en los dínodos consecutivos.
Figura 1.4: Fotomultiplicador de caja y rejilla.
La ganancia global de electrones puede ser bastante alta de hasta la Figura 1.5 es la estructura común de caja y rejilla. Otras configuraciones, la persiana lineal o circularmente enfocada, ofrecen mejoras en tamaño o en rendimiento. Por ejemplo las estructuras de persiana veneciana y de caja y rejilla son poco costosas y útiles para dispositivos de gran área, mientras que las estructuras enfocadas ofrecen eficiencias de colección más altas, frecuencias de modulación tan bajas como de 1 nanosegundo.
Figura 1.5: Fotomultiplicador, estructura de caja y rejilla
En cuanto a los detectores térmicos, los cuales aprovecha el efecto de calentamiento que produce la luz al incidir sobre su superficie; de entre estos, uno de los más utilizados es la termopila, misma que consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Las mediciones de temperatura que utilizan termopilas o termopares se basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821. Este se puede resumir de la siguiente manera: una corriente fluye en un circuito continuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperaturas distintas. La corriente será proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones.
A continuación, se presentan los materiales mas comúnmente usados en la construcción de elementos sensibles a la luz:
DETECTOR
|
TK(operación)
| ||
Ge
|
0.67
|
193
|
1.9
|
GaAs
|
1.12
|
300
|
1.1
|
Cd Se
|
1.5
|
300
|
0.9
|
CdS
|
1.8
|
300
|
0.69
|
2.4
|
300
|
0.52
|
Cuadro 1.1: Materiales usados en elementos fotosensibles.
Un factor también importante al momento de elegir el transductor optoelectrónico adecuado, es la longitud de onda (puede medirse en Ángstrom o micrómetros (μm)) de la fuente a monitorear; considerando que en optoelectrónica el rango del espectro electromagnético que puede ser captado mediante dispositivos sensibles abarca desde 200 nm en el ultravioleta lejano, extremo de la longitud de onda corta hasta aproximadamente 15 μm en el infrarrojo lejano, extremo de la longitud de onda larga. La longitud de onda es importante porque determinará el material que se utilizará para la construcción del dispositivo optoelectrónico. En la Figura 1.6 se muestra la respuesta espectral del Ge, Si, y Selenio así como del ojo humano.
Figura 1.6: Respuesta espectral relativa para el Si, Ge y Selenio en comparación con la del ojo.
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