5. propiedades opticas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ESTEFACULTAD POLITECNICAINGENIERÍA DE SISTEMAS

CLASE

Profesor: Ing. MSc. Domingo M. Maldonado

Desarrollo

Unidad I: Estructuras Cristalinas

Unidad II: Propiedades Eléctricas de los materiales

Unidad V: Semiconductividad

Unidad III: Propiedades magnéticas de los materiales

SUPERCONDUCTIVIDAD

Unidad IV: Propiedades ópticas de los materiales

Unidad VI: Estructuras y propiedades de las cerámicas

Unidad VII: Cristales líquidos

Unidad VIII: Tecnología de la Energía Solar

PROPIEDADES OPTICAS DE LOS MATERIALES

Por propiedades ópticas se entiende como la respuesta de un material a la exposición a la radiación electromagnética, y en partícula a la luz visible

Radiación Electromagnética

En el sentido clásico, la radiación electromagnética es considerada como siendo ondulatoria, consistiendo en componentes de campo eléctrico y de campo magnético, los cuales son perpendiculares unos a otros y también a la dirección de propagación

El espectro electromagnético de la radiación abarca la larga faja que va desde los rayos ϒ (materiales radioactivos), con longitudes de ondas del orden de 10-12 m (10-3nm), y pasa por los rayos x, ultravioleta, visible, infrarrojo y finalmente las ondas de radios y televisión, con longitudes de ondas tan largos como 105 m.



La luz visible está localizado dentro de una

región muy estrecha del espectro, en longitudes

de ondas que varían entre 0,4 µm y 0,7 µm. El

color percibido es determinado por la longitud

de onda, por ejemplo una radiación con longitud

de onda de 0,4 µm tiene una apariencia violeta,

mientras que los colores verde y rojo ocurren

con longitudes de ondas de 0,5 y 0,65 µm,

respectivamente



Toda radiación electromagnética atraviesa el vacío a la misma velocidad de la luz, es decir, 3 x 108 m/s. Esa velocidad c está relacionada a la permisibilidad eléctrica del vacío εo, y la permeabilidad magnética del vacío µo a través de la relación



ooc

µε .

1´=

Además, la frecuencia, v y la longitud de onda λ, de la radiación electromagnética son una función de la velocidad, conforme la relación

vc .λ=

Algunas veces, es conveniente visualizar la radiación electromagnética a partir de una perspectiva cuántico mecánica, en el sentido en que la radiación, en vez de consistir en ondas es compuesta por grupos o paquetes de energías, llamados fotones. Se dice que la energía E de un fotón está cuantificada, es decir, puede asumir apenas algunos valores específicos, definidos por la relación:



Donde h representa una constante universal conocida por constante de Planck, que tiene un valor de 6,63 x 10-34 J-s. De esta forma, la energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación o inversamente proporcional a la longitud de onda

λch

vhE.

. ==

Cuando la luz pasa de un medio para otro (por ej., del aire a una sustancia sólida), varias cosas suceden. Una parte de la radiación luminosa puede ser transmitida a través del medio, una parte será adsorbida y una parte será reflejada en la interfaz entre los dos medios. La intensidad Io del haz incidente sobre la superficie del medio sólido deber ser igual a la suma de las intensidades de los haces transmitidos, absorbido y reflejado, representados como IT, IA e IR, respectivamente


Interacciones de la luz con los sólidos

La intensidad de la radiación, es expresado en watts por metro cuadrado, corresponde a la energía que está siendo transmitida por unidad de tiempo a través de una área unitaria que es perpendicular a la dirección de la propagación.

RAT IIIIo ++=

1=++ RAT

Donde T, A y R representan, la transmisibilidad (IT/Io), la absorvilidad (IA/Io) y la reflectividad (IR/Io) o las fracciones de la luz incidente que es transmitida, absorbida y reflejada por un material; las suma de estas fracciones debe ser igual a la unidad, ya que toda la luz incidente es o transmitida, o absorbida o reflejada.

Los fenómenos ópticos que ocurren dentro de los materiales sólidos envuelven interacciones entre la radiación electromagnética y los átomos, iones y/o electrones. Dos de las mas importantes de esas interacciones son la polarización electrónica y las transiciones de energías de los

electrones.


Interacciones atómicas y electrónicas

Uno de los componentes de una onda electromagnética es simplemente un campo eléctrico que oscila rápidamente. Para la faja de frecuencia del espectro visible, ese campo eléctrico interactúa con la nube electrónica que circunda cada átomo dentro de su trayectoria, de modo tal a inducir la polarización electrónica o a desplazar la nube electrónica con relación al núcleo del átomo con cada cambio de dirección del componente del campo eléctrico. Existen dos consecuencias de esta polarización:

(1) una parte de la energía de radiación puede ser absorbida y

(2) las ondas de luz tienen sus velocidades retardadas a medida que pasan a través del medio. La segunda consecuencia se manifiesta bajo la forma de refracción, fenómeno a discutir más adelante.

Polarización electrónica


Interacciones atómicas y electrónicas

La adsorción y la emisión de la radiación electromagnética puede involucrar transiciones electrónicas de un estado de energía a otro. Para nuestro propósito, considere un átomo aislado, un electrón puede ser excitado de un estado ocupado con energía E2 para un estado vacío y de mayor energía E4, por la absorción de un fotón de energía. La variación de la energía experimentada por el electrón ∆E, depende de la frecuencia de la radiación de acuerdo a la siguiente relación:

Transiciones electrónicas

vhE .=∆


Propiedades ópticas de los metales

Considere los esquemas de banda de energía de los electrones para los metales � ellas poseen una banda de alta energía parcialmente llena con electrones. Los metales son opacos, pues la radiación incidente, con frecuencias dentro del espectro visible, excita a los electrones para estados de energías no ocupados encima de la energía de Fermi, como consecuencia, la radiación incidente es absorbida, la absorción total se da dentro de una capa exterior fina, generalmente con un espesor inferior a 0,1 µm; de esta forma, a penas películas metálicas mas finas que 0,1 µm son capaces de transmitir luz visible.



Todas las frecuencias de la luz visible son absorbidas por los metales debido a los estados electrónicos vacíos continuamente disponibles, los cuales permiten transiciones electrónicas. De hecho, los metales son opacos para toda la radiación electromagnética en el extremo inferior del espectro de frecuencias, desde las ondas de radios, pasando por las radiaciones infrarrojas y visibles, hasta aproximadamente la mitad de la radiación ultravioleta. Los metales son transparentes a las radiaciones de alta frecuencias (rayos x y ϒ).

La mayor parte de la radiación absorbida es remitida a partir de la superficie en la forma de luz visible con la misma longitud de onda, el cual aparece como luz reflejada; la reflectividad para la mayoría de los metales se encuentra entre 0,90 y 0,95; una pequeña fracción de la energía de los procesos de decaimiento electrónico es disipada en forma de calor.



Una vez que los metales son opacos y altamente reflectivo, el color percibido es determinado por la distribución de la longitud de onda de la radiación que es reflejada y no absorbida. Una apariencia plateada brillante cuando el material es expuesto a la luz blanca indica que el metal es altamente reflectivo a lo largo de toda la faja del espectro visible.

En otras palabras, para el haz reflejado, la composición de estos fotones reemitidos, en términos de frecuencias y de cantidad es aproximadamente la misma que el haz incidente. El aluminio y la plata son dos metales que exhiben ese comportamiento reflectivo. El cobre y el oro poseen una apariencia rojo – anaranjado y amarillo, respectivamente, pues una parte de la energía asociada a los fotones de luz con menores longitudes de ondas no es reemitida en la forma de luz visible.


Propiedades ópticas de los no metales

En virtud de sus estructuras de banda de energía de los electrones, los materiales no metálicos pueden ser transparentes a la luz visible. Por lo tanto, además de la reflexión y la absorción, los fenómenos de refracción y de transmisión también necesitan ser considerados.

REFRACCIÓN

La luz que es transmitida para el interior de materiales transparentes experimenta una disminución de velocidad y como resultado de esto, es doblada en la interfaz del material, este fenómeno es conocido por refracción. El índice de refracción, n, de un material es definido como siendo la razón entre la velocidad de la luz en el vacío c, y la velocidad de la luz en el medio v:

v

cn =



REFRACCIÓN

La magnitud de n (o grado del doblado) dependerá de la longitud de onda de la luz.

Se define la magnitud de c, una expresión equivalente suministra la velocidad de la luz v en un medio, de acuerdo a:

µε .

1=v

Donde ε y µ, representan, respectivamente, la permisividad y la permeabilidad de la sustancia en cuestión, de las ecuaciones tenemos:

rroov

cn µε

µεµε

..

.===

Donde εr y µr representan, respectivamente, la constante dieléctrica y la permeabilidad

magnética relativa



REFLEXIÓN

Cuando la radiación luminosa pasa de un medio a otro con índice de refracción diferente, una parte de la luz es dispersada en la superficie entre los dos medios, aún si ambos materiales fuesen transparentes. La reflectividad R representa aquella fracción de la luz incidente que es reflejada en la interfaz, es decir:

Io

IR R=

Si la luz incide en la dirección normal (o perpendicular) a la interfaz, entonces:

2

12

12

+−=

nn

nnR Donde n1 y n2 son los índices de refracción de

los medios

Si la luz incidente no incide en la dirección normal a la superficie, el

valor de R dependerá del ángulo de incidencia.



ABSORCIÓN

Los materiales no – metálicos pueden ser opacos o transparentes a la luz visible, y si son transparente con frecuencia exhiben un color.

Mecanismos de absorción: polarización electrónica

La absorción ocurre por la excitación de un electrón, para que esto ocurre cuando la energía del fotón debe ser mayor que la energía del espacio entre bandas Ee.

Eevh >.La intensidad de la radiación resultante absorbida es dependiente de la naturaleza del medio, así como de la longitud de la trayectoria en su interior. La intensidad de la radiación transmitida o no absorbida I´T

disminuye continuamente en función de la distancia x que la luz recorre:

x

T eoII β−= .´´ I´o es la intensidad de la radiación incidente no reflejada, β es el coeficiente de absorción.



TRANSMISIÓN

Los fenómenos de absorción, reflexión y trasmisión pueden ser aplicados al paso de la luz a través de un sólido trasparente.

l

T eRIoI β−−= .)1.( 2Donde R es la reflectancia.



COLOR

Los materiales transparentes presentan una apariencia colorida como consecuencia de la absorción selectiva de franjas específicas de longitudes de ondas de la luz.

El color observado es el resultado de la combinación de las longitudes de onda que son transmitidos.

Si la absorción es uniforme para todas las longitudes de ondas visibles, el material tiene una apariencia incolora


Aplicaciones de los fenómenos ópticos

LUMINISCENCIA

Algunos materiales son capaces de absorber energía y luego reemitir luz visible, este fenómeno es llamado de luminiscencia.

Se clasifica de acuerdo a la magnitud del tiempo de retardo entre los eventos de absorción y reemisión EN:

Fluorescencia: si la reemisión ocurre en tiempo menores a 1 segundo,Fosforescencia: cuando el tiempo de reemisión es superior a 1 segundo.



FOTOCONDUCTIVIDAD

La conductividad de los semiconductores depende del numero de electrones libres en la banda de conducción, y también del número de huecos en la banda de valencia.

La energía térmica asociada a las vibraciones de la red puede promover excitaciones electrónicas donde se crean electrones libres o huevos.

Estas transiciones pueden surgir también debido a la acción de la luz, por esto se lo denominan fotoconductividad.

Es decir cuando se ilumina un material fotoconductivo la conductividad aumenta.



FOTOCONDUCTIVIDAD

Dispositivos que convierten una señal óptica en electrónica

Dispositivos que convierten una señal electrónica en óptica

TRABAJO PRÁCTICO

Grupo 1: Lasers

Cristhian Benitez

Cecilia Cascos

Grupo 2: Fibras ópticas

Grupo 3: Estructura y propiedades de las cerámicas: 12.1

Arturo Ledezma

Tobias Galeano

Reinaldo Machuca

Blanca Maidana

Dahiana Maidana

Marco Mallorquín

TRABAJO PRÁCTICO


Lía Martinez

Sara Matiauda

Pamela Pereira


Eduardo Olmedo

Edwar Pereira

Diego Noguera


Aplicaciones de los fenómenos ópticos LASERS

Todas las transiciones radiactivas vistas son de emisión espontánea, es decir un electrón decae de un estado de alta energía a otra de baja, estos ocurren de manera aleatoria por calor u otros medios externos independientemente unas de otras.

Esta emisión ocurre de manera aleatoria e independiente de los demás electrones.

En el lasers, las emisiones son estimuladas y coordinadas, de hecho lasers es acrónimo de: light amplification by stimulated emission of radiation.

Existen muchos tipos de lasers, estudiaremos el primero de ellos que es el laser de rubi, las demás funcionan de manera similar.

El rubí es un monocristal de AL2O3 (safira) al que se adiciona ión Cr+3.

Estos iones le dan al rubí el color rojo y le suministran los estados energéticos que son esenciales para el funcionamiento del laser.



El laser de rubí tiene la forma de una barra, cuyas extremidades son planas, paralelas y altamente pulidas.

Ambos extremos son recubiertos con plata, de modo que una de lasextremidades es totalmente reflexivo y el otro parcialmente transmisora.

El rubí es iluminado con una lámpara de flash de xenón.



Antes de la exposición, virtualmente todos los iones CR+3 están en sus estados fundamentales, es decir, los electrones llenan el estado de menor energía.

Niveles energéticos en un láser de rubí. Para conseguir que la población de los estados metaestables sea superior a la del estado fundamental, el cristal de rubí se someta a una intensa radiación que contienen energía en las longitudes de onda verde y azul. Esto excita a los átomos del estado fundamental a las bandas de los niveles energéticos sombreados, a partir de los cuales pasan a los estados metaestables por transiciones no radiactivas. Después los átomos realizan una transición desde los estados metaestables al estado fundamental.



Los fotones con longitudes de ondas de 0.56 um de la lampara de xenon excitan a los electrones de inon Cr+3 para estados de mayor energía.

Estos electrones pueden caer de vuelta a su estado fundamental por dos caminos:

- algunas decaen directamente: sus emisiones no hacen parte del haz de láser.

- otras decaen para un estado metaestable, intermediario, donde ellas pueden quedar hasta 3 ms, antes de realizar una emisión instantánea y regresar al estado fundamental.

En términos de proceso electrónico 3 ms es mucho, por tanto en este tiempo muchos estados metaestables pueden ser ocupados.



La emisión inicial espontánea de fotón por unos pocos electrones es el estímulo que dispara una avalancha de emisiones de los demás electrones del estado metaestable.

Figura: Formación de un haz de fotones en un láser.

A) Al irradiarse, algunos átomos emiten fotones

espontáneamente y una fracción de ellos se propagan

hacia la derecha y estimulan a otros átomos que

emiten fotones paralelos al eje del cristal, b) de los

cuatros fotones que chocan contra la cara derecha,

uno se transmite y tres se reflejan. Los fotones

reflejados atraviesan de nuevo el cristal láser y

estimulan a otros átomos que emiten fotones y el haz

va creciendo. C) ya son muchos los fotones que llegan

a la cara derecha del cristal. D) una parte de estos

fotones se transmite y el resto se refleja.



De los fotones direccionados paralelamente al eje mayor de rubí, algunos son transmitidos a través de la extremidad parcialmente cubierta con plata, otras que inciden sobre la extremidad totalmente cubierta son reflejadas.

Los fotones no emitidos en esta direccion son perdidos.

El haz de luz viaja repetidamente hacia delante y para atrás a lo largo de la longitud de la barra y su intensidad aumenta conforme mas emisiones son estimuladas.

Al final un haz de alta intensidad, coherente y altamente colineado de luz láser, de corta duración es transmitido a través de la extremidad parcialmente recubierta con plata.

Otros tipos de láser por ejemplo se construyen con semiconductores y son utilizados en los reproductores de CD´s.

PROPIEDADES OPTICAS DE LOS MATERIALESAplicaciones de los fenómenos ópticos

FIBRAS ÓPTICAS EN COMUNICACIONES

El área de comunicaciones experimentó una revolución con la tecnología de fibras ópticas, actualmente todas las telecomunicaciones son transmitidas a través de ellas.

En estas la transmisión ocurre por medio de fotones, y no a través de electrones como en los cables convencionales.

Su uso mejoró la velocidad de transmisión, la densidad de información y la distancia de transmisión, con reducción en el índice de error, además no existen ninguna interferencia electromagnética con las fibras ópticas, lo que posibilito de sobre manera su utilización en el campo industrial como subestaciones, fábricas, etc.

Comparando dos pequeños cables ópticos (100 gramos) pueden transmitir simultáneamente 24.000 llamadas, y por medios convencionales se necesitarían 30.000 kg de cobre para transmitir la misma información.


El sistema de transmisión de la información debe digitalizar primero la información en formato de bits (codificador), luego se debe convertir la señal eléctrica en óptica (conversor), la salida de este conversor se da como pulsos de luz.


La contención de la luz en el interior del núcleo de la fibra ocurre a través de la reflexión total, esto se logra variando el índice de refracción del núcleo del vidrio y de sus capas.

Ejercicios: 18.1 a 18.17

5. propiedades opticas

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