Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Cursul 5

Lampa cu tungsten s, i lampa cu halogen s, i ınvelis, din cuart,

Exista numeroase tipuri de lampi utilizate pentru diferite aplicat, ii, incluzand aici studiul materialelor,spectroscopia, pompajul optic necesar producerii efectului laser, etc. In cele ce urmeaza vom enumeraprincipalele caracteristici ale unor surse de acest fel frecvent utilizate ın practica.

Lampile cu tungsten sunt folosite ca surse de lumina ın domeniul IR apropiat. Lampile se cupleazala o sursa te tensiune electrica, iar la trecerea curentului prin filamentul de tungsten acesta devineincandescent s, i emite radiat, ie. Temperatura obis,nuita de funct, ionare pentru o astfel de lampa este de2800 K, pentru care se obt, ine o lumina de culoare galbena (aproape alba) foarte stralucitoare. Aceastaeste temperatura corespunzatoare filamentului unui bec obis,nuit ın timpul funct, ionarii lui. Filamentuleste plasat ın interiorul unui ınvelis, de sticla ce cont, ine vapori de argon sau azot. Densitatea spectralade energie a unei lampi de acest fel este prezentata schematic ın figura (??).

Lampa cu halogen este similara celei cu tungsten; utilizeaza tot un filament din tungsten, ınsa acestase gases,te ın interiorul unui ınvelis, mult mai mic din cuart, . Deoarece ınvelis,ul este foarte aproapiatde filamentul din tungsten, daca acesta ar fi din sticla s-ar topi ın timpul funct, ionarii s, i, din acestmotiv, se foloses,te cuart,ul ın locul sticlei obis,nuite. Pentru acest tip de lampa se folosesc diferite gazedin seria halogenurilor, gaze care prezinta o proprietate foarte interesanta: atunci cand temperaturafilamentului devine din ce ın ce mai mare, gazul de halogenura se va combina cu atomii de tungstencare apar ca urmare a vaporizarii s, i apoi sunt din nou depozitat, i pe suprafat,a filamentului. Acestproces ciclic confera filamentului un timp lung de funct, ionare. In plus, este posibila funct, ionareafilamentului la temperaturi mai mari, crescand astfel intensitatea luminii sursei.

Lampi spectrale

Lampile spectrale sunt utilizate pentru aplicat, ii speciale de laborator, acestea fiind surse stabile delinii spectrale discrete corespunzatoare spectrelor atomice ale elementelor specificie utilizate (ın celemai multe cazuri, metale). Aceste surse spectrale sunt produse fie prin realizarea unui arc electric ıntreelectrozii fabricat, i dintr-un anumit metal ıntr-un tub de descarcare, fie prin pulverizarea unor pudre pebaza de saruri ıntr-o flacara. In zilele noastre, lampile cu descarcare electrica sunt tot mai performantedatorita cres,terii puritat, ii metalelor folosite ca electrozi ın tubul de descarcare. In categoria lampilorspectrale sunt incluse lampile cu descarcare ın gaze care folosesc Ne, Xe sau He la presiune mica (maimica de 1 atm.). Atomii gazului sunt excitat, i pe nivele energetice superioare de catre curentul electriccare strabate tubul cu gaz. Figura (1) prezinta spectrele de emisie ale lampilor cu descarcare ın vaporide sodiu s, i mercur la presiuni joase (figura (1 a s, i b)) s, i ridicate (figura (1 c s, i d)). In figura (1 a s, i b) sepot observa linii de rezonant, a monocromatice apropiate de intensitat, i diferite ca uramre a tranzit, iilorıntre diferitele nivele energetice ale atomilor din vaporii de metal aflat, i la presiune joasa.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 1

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 1: Spectrele de emisie ale diferitelor lampi spectrale: (a) lampa cu sodiu la presiune joasa; (b)lampa cu mercur la presiune joasa; (c) lampa cu sodiu la presiune ridicata; (d lampa cu mercur lapresiune ridicata.

Lampi fluorescente

Lampile fluorescente au la baza lampile cu descarcare ın gaze (de obicei, mercur) la presiune joasa.Elementul central al lampii fluorescente este tubul etans, din sticla prezentat ın figura (2). Tubulcont, ine o cantitate mica de gaz inert sau mercur la presiuni foarte mici (miimi de atmosfera), prafulde fosfor depus pe supraft,a interioara a sticlei si cate un electrod la fiecare capat, conectat, i la uncircuit electric. Odata cuplata lampa la o sursa de tensiune, electronii vor traversa tubul de laun capat la celalalt, iar o parte din ei se vor ciocni cu atomii de mercur. Aceste ciocniri au carezultat excitarea acestor atomi pe nivele energetice superioare. Dezexcitarea acestor atomi (revenireaelectronilor atomilor de Hg pe nivelul fundamental) are loc prin emisie de fotoni ın domeniul UV (185s, i 254 nm), as,a cum se vede s, i ın figura (1 b), dupa care radiat, ia UV este convertita ın radiat, ievizibila de catre stratul de fosfor depus pe ınvelis,ul de sticla al lampii fluorescente. Atomii din stratulfosforescent se excita de la radiat, ia UV produsa ın tub s, i produce un spectru larg de luminescent, a ındomeniul vizibilv (lumina alba). In prezent exista o mare varietate de materiale fluorescente. Lampulefluorescente sunt utilizate tot mai mult ın locul becurilor obis,nuite pentru iluminat datorita eficient,eilor ridicate s, i consumului redus de energie electrica.

Figura 2: Prezentarea schematica a lampii fluorescente.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 2

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Lampi cu descarcare ın vapori la presiune mare

Este cunoscut faptul ca benzile monocromatice pot fi largite considerabil atunci cand gazul se gases,tela presiune mare. Largirea suplimentara indusa de ciocnirea electronilor cu gazul din interiorul tubu-lui (largire datorata presiunii gazului) apare ca urmare a deplasarii nivelelor energetice datoritainteract, iunii mutuale puternice dintre atomii aflat, i la distant, a mica unii de alt, ii. Astfel, ın loculliniilor de emisie ınguste caracteristice unui gaz la presiuni joase, descarcarea electrica ın gazul aflatla presiuni ridicate furnizeaza benzi de emisie largi. Figura (1 c s, i d) prezinta spectrele de emisie aleunor lampi cu descarcare ın mercur s, i sodiu la presiuni ridicate. Presiunile tipice ale acestor lampisunt de 200 atm prezentand un spectru foarte larg de emisie. Lampile cu Xe sau deuteriu la presiunimari sunt folosite de obicei ın spectroscopia optica.

Diodele electroluminescente (LED)

O alta categorie de lampi sunt as,a-numitele diode electroluminescente (LED). In caz lor emisia seproduce ın urma recombinarii electronilor din banda de condcut, ie cu golurile din banda de valent, a aunui semiconductor de tip p− n. Una dintre cele mai importante caracteristici ale acestora, furnizatede tehnologiile semiconductoare tot mai avansate, este ca pot fi proiectate sa emita pe un domeniularg de lungimi de unda din UV pana ın IR. In plus, folosind combinat, ii ale LED-urilor care emitlumina ros, ie, verde s, i albastra este posibila selectarea oricarei alte combinat, ii de culori. Principaleleaplicat, ii ale acestor LED-uri includ monitoarele s, i ecranele televizoarelor, dar s, i lampile de iluminarepentru exterior. Sursa de lumina alba furnizata de lampa cu tungsten este ınlocuita ın prezent dediodele cu GaN s, i InGaN. Atfel, flexibilitatea ın configurarea acestor LED-uri permite ca spectrele deradiat, ie termica sa fie reproduse artificial folosind surse de radiat, ie care nu prezinta radiat, ie termicanaturala. Des, i, LED-urile verzi s, i ros, ii exista de multa vreme, cele comerciale aparand la sfars, itulanilor 1960, pentru a realiza LED-uri care sa emita lumina albastra a fost nevoie sa se as,tepte pana laınceputului anilor 1990. In 2014 Premiul Nobel pentru fizica a fost atribuit japonezilor Isamu Akasakis, i Hiroshi Amano s, i americanului Shuji Nakamura pentru inventarea LED-ului albastru, care permiteimportante economii de energie.

Laserul ca sursa de radiat, ie ın spectroscopie

In zilele noastre laserul ınlocuies,te lampile convent, ionale ıntr-o varietate tot mai mare de aplicat, iispectroscopice datorita caracteristicilor sale speciale. Au fost ımbunatat, ite metodele vechi, dar s, idezvoltate noi metode de masurare spectroscopica datorita proprietat, ilor luminii laser pe care levom prezenta ın cele ce urmeaza ımpreuna cu cateva exemple ale utilizarii acestora ın domeniulspectroscopiei.

(i) Intensitatea pentru cele mai multe tipuri de laser depas,es,te cu cateva ordine de marime pe cea asurselor de lumina incoerenta. Aceasta caracteristica a laserilor are multe aplicat, ii interesante. Pede o parte, zgomotul (produs de radiat, ia de fond sau datorita detectorului) poate fi semnificativredus conducand la o ımbunatat, ire considerabila a raportului semnal-zgomot, iar pe de altaparte intensitatea mare a fasciculului laser permite studierea fenomenelor neliniare, cum ar fiprocesele multifoton sau fenomenele de saturat, ie care nu sunt us,or accesibile prin spectroscopiaconvent, ionala.

(ii) Direct,ionalitatea sau divergent,a redusa (unghiul solid mic) a fasciculului laser este o alta car-acteristica importanta care nu se regases,te la sursele de lumina clasice. Aceasta face mai facila

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 3

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

manipularea s, i controlul fasciculului de lumina s, i permite folosirea lui ın dispozitivile optice in-tegrate. Din punct de vedere spectroscopic, aceasta proprietate a fasciculului laser este folositaın cazul masuratorilor coeficient, ilor de absorbt, ie foarte mici, care se poate realiza prin marireadrumului optic prin proba (cu ajutorul ghidului de unda) sau la colectarea eficienta de catredetector a radiat, iei incidente care interact, ioneaza cu o regiune foarte mica din proba, cum estede exemplu cazul ımpras,tierii Raman sau a spectroscopiei de fluorescent, a de intensitate foartemica.

(iii) Monocromaticitatea sau largirea spectrala mica are un impact considerabil asupra dezvoltariitehnologiilor s, i aplicat, iilor spectroscopiei de ınalta rezolut, ie. Spre exemplu, rezolut, ia spectralafurnizata de anumite lasere depas,es,te cu cateva ordine de marime pe cea al celui mai sensibilmonocromator.

(iv) Posibilitatea balearii continue a lungimii de unda a laserului reprezinta de asemenea o caracter-istica importanta a acestuia. Prin urmare, folosirea laserului ın spectroscopie este mai ieftina,deoarece un laser acordabil poate ınlocui atat sursa intensa de radiat, ie cat s, i monocromatorulde ınalta rezolut, ie, care de obicei e foarte scump.

(v) Posibilitatea funct, ionarii laserului ın regim de pulsuri scurte s, i ultrascurte (de ordinul femtose-cundelor) de intensitate mare. Aceasta caracteristica permite studierea fenomenelor rapide s, iultrarapide (de exemplu, procesele de relaxare rapida ıntalnite la solide).

(vi) Folosind fascicule laser se pot studia fenomenele de coerent, a. Foarte multe experimente ınspectroscopia laser depind de proprietat, ile de coerent,a ale radiat, iei. In spectroscopie (ın spe-cial ın spectroscopia de interferent, a), fasciculele coerente de lumina sunt folosite pentru o maibuna rezolvare a spectrelor (separare mai buna a benzilor spectrale). De exemplu, ın cazulfolosirii rezonatorilor de tip Fabry-Perot sau ın cazul metodelor de analiza a separarii frecvent,elor,superpozit, ia fasciculelor de frecvent,e apropiate conduce la o variat, ie dependenta de timp a in-tensitat, ii ce poate fi ınregistrata cu ajutorul unor fotodiode suficient de rapide s, i astfel spectrulpoate fi rezolvat.

In prezent, radiat, ia laser se ıntinde pe un domeniu spectral tot mai larg, din UV pana ın domeniul IRındepartat, acoperind astfel ıntregul domeniu al spectroscopiei optice. Figura (3) prezinta schematicdomeniile spectrale acoperite de diferitele tipuri de laseri. Exista totus, i cateva domenii spectraleneacoperite ınca de lumina laser, ınsa pentru acele lungimi de unda particulare radiat, ia coerentapoate fi obt, inuta prin combinarea fasiculelor laser de lungimi de unda diferite.

Principii de baza ale laserului

LASER este acronimul din limba ebgleza pentru Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation (amplificarea luminii prin emisia stimulata a radiat, iei) s, i este analog tranzistoarelor folositeın circuitele electronice pentru generarea s, i amplificarea semnalelor electrice.

Elementele principale ale dispozitivului laser sunt urmatoarele:

• Mediul activ (aflat ın stare gazoasa, lichida sau solida), format din atomi, molecule sau ionicare pot genera s, i amplifica lumina ca urmare a tranzit, iilor cuantice ıntre nivelele lor energeticecaracteristice.

• Pompajul optic folosit pentru excitarea sistemelor atomice care formeaza mediul activ pe niveleenergetice superioare pentru a realiza inversia de populat,ie.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 4

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 3: Domeniile spectrale acoperite de diferitele tipuri de lasere.

• Rezonatorul optic, este un sistem de lentile s, i oglinzi necesare pentru amplificarea optica aradiat, iei emise. Des, i la ies, irea din mediul activ razele laser sunt aproape paralele rezonatoruloptic este folosit pentru colimarea mult mai precisa, pentru concentrarea razelor ıntr-un punctcalculat, pentru dispersia razelor sau alte aplicat, ii necesare.

Trebuie ment, ionat ca atat mediul activ cat s, i rezonatorul determina frecvent,ele luminii laser generate.Interact, iunea radiat, ie-mediu activ constituie de fapt cheia producerii radiat, iei laser. Pornind de laconsiderente fenomenologice, Einstein a elaborat o teorie care permite ınt,elegerea fenomenelor deabsorbt, ie s, i emisie a luminii de catre sistemele atomice. Principalele procese de interact, iune lumina-materie care au fost luate ın considerare ın aceasta teorie sunt: absorbt,ia, emisia spontana s, i emisiastimulata de fotoni. Aceste procese sunt prezentate schematic ın figura (4) pentru un sistem atomiccu doua nivele energetice (E1 s, i E2). Atunci cand sistemul atomic absoarbe un foton de energiehν = E2 − E1, determinand astfel popularea nivelului superior, un al doilea foton de aceeas, i energiehν poate stimula revenirea sistemului ınapoi pe nivelul fundamental prin emisia unui foton, ın acestfel sistemul atomic considerat va emite doi fotoni identici, adica cel incident s, i cel rezultat din emisiastimulata. Din punct de vedere ondulatoriu putem spune ca unda electromagnetica asociata emisieistimulate are aceeas, i direct, ie, faza, polarizare s, i lungime de unda ca cea a undei incidente, prinurmare fenomenul de emisie stimulata constituie, ın esent, a, un fenomen de amplificare a undeloroptice, deoarece energia eliberata ın urma procesului de emisie stimulata se adauga la cea a undeiincidente prin interferent, a constructiva, conducand astfel la o cres,tere a intensitat, ii fascicului emis demediul activ.

Figura 4: Diferite procese de interact, iune lumina-materie: (a) absorbt, ia; (b) emisia spontana; (c)emisia stimulata.

Teoria perturbat, iei din mecanica cuantica ce ne permite sa calculam probabilitatea absorbt, iei s, i aemisiei stimulate (vezi paragraful (??)) ne arata ca aceste procese depind doar de condit, iile init, iale, s, ianume, ın cazul absorbt, iei sistemul se gases,te ın starea de energie minima, iar ın cazul emisiei stimulate

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 5

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

acesta se gases,te ın starea excitata. Din acest motiv, probabilitatea de tranzit, iei este aceeas, i pentruambele procese.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 6