PROPIEDADES ÓPTICAS

PROpIEDADES ÓPTICAS

Para algunos materiales, su comportamiento óptico — la manera de la cual refle­jan, absorben o transmiten la luz visible— es más importante que su comporta­miento mecánico

El comportamiento óptico se relaciona íntimamentecon el comportamiento eléctrico

INTRODUCCIÓN

El índice de refracción es una característica fundamental, con implicaciones sobre la naturaleza de la reflexión de la luz en la superficie del material y su transmisión a través del sólido. La transparencia de un material dado está limitada por la naturaleza de cualquier microestructura (porosidad o una fase sólida con índice de refracción diferente de la matriz). La coloración de materiales que transmiten luz proviene de la absorción de ciertas longitudes de onda lumino­ sas por especies tales como Fe2+ y Co2+ iónicos. Una amplia gama de usos ópti­cos modernos implica a materiales con luminiscencia, que es absorción de energía seguida por emisión de luz visible. La reflectividad y la opacidad características de metales es una consecuencia directa de la alta densidad de electrones conductoresen estos materiales. Algunos de los sistemas y dispositivos más importantes en tecnología modernason útiles por sus propiedades ópticas. Ejemplo de ello son los láseres, las fibras ópticas, los indicadores de cristal líquido, y los fotoconductores.

Ejemplo Un fotón en un semiconductor de ZnS desciende desde un nivel de energía de impurezas a 1.38 eV debajo de su banda de conducción hasta su banda de valencia. ¿Cuál es la longitud de onda de la radiación producida por el fotón en la transición? Si es visible, ¿cuál es el color de la radiación? El ZnS tiene una brecha de energía de 3.54 eV

Nos centraremos inicialmente en la forma en que la luz visible interacciona con los materiales ópticos. Los materiales que reflejan o absorben toda la luz visible, sin transmitir nada, se denominan opacos, aunque pueden transmitir en el casi visible (infrarrojo o ultravioleta). Los que transmiten un poco de luz difusa se denominan translúcidos. Aquellos que transmiten la luz lo suficientemente bien como para poder ver a través de ellos se llaman transparentes; un subconjunto de estos que transmiten casi perfectamente, haciéndolos adecuados para lentes, guías de luz y fibras ópticas, reciben el título adicional de calidad óptica.Los metales son opacos. Para ser transparente, un material debe ser dieléctrico.

Tres especímenes de óxidos de aluminio

ÍN D IC E DE R E F R A C C IÓ N

Cuando la luz viaja del aire a un material transparente con un ángulo, los rayos se refractan (cambian su trayectoria) La apariencia del material es una consecuencia de la magnitud del índi­ce de refracción, n. El «centelleo» característico asociado a los diamantes y a ciertas piezas de arte de vidrio es el resultado de un elevado valor de n, lo cual permite que se produzcan múltiples reflexiones internas de la luz. La adición de óxido de plomo (n = 2.60) a los vidrios de silicato eleva el índi­ ce de refracción, proporcionándoles esa apariencia característica (lo que los hace mucho más caros) de «cristal» fino

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ÍN D IC E DE R E F R A C C IÓ N

Donde es la velocidad de la luz en el vacío (prácticamente igual que en el aire), v es la velocidad de la luz en un material transparente, y son los ánguos de incidencia y refracción, respectivamente Los valores típicos de n para los cerámicos y vidrios varían entre 1.5 y 2.5, y para los polímeros, entre 1.4 y 1.6, lo que significa que la velocidad de la luz es consi­derablemente menor en el sólido que en el vacío

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R E F LECTIVIDAD

No toda la luz que llega a un vidrio o cerámico transparente entra en elmaterial y es refractada como se ha descrito anteriormente. Una parte esreflejada en la superficie. La reflectividad, R, se define como la fracción de luz reflejada en una entrecara y está relacionada con el índice de refracción a través de la fórmula de Fresnel Los materiales con un alto valor de n son también altamente reflectantes. En algunos casos es esto lo deseable, como en recubrimientos con esmaltes vitreos. En otras aplicaciones, co­mo lentes por ejemplo, una alta reflectividad produce una pérdida de luz no desea­da

EJEMPLO R E F LECTIVIDAD

Las lentes de la cámara y del microscopio son varios vidrios apilados juntos. Considere el reflejo de uno de estos lentes. La luz viaja a través del vidrio de sílice hacia un vidrio de sílice con alto contenido de plomo con una incidencia normal.¿Cuánta luz se refleja en la superficie interna? La reflexión de la superficie puede ser una propiedad deseable en algunas aplicaciones, por ejemplo, cuando se va a observar una imagen reflejada en la superficie frontal de un vidrio.En otras aplicaciones, es deseable tener R lo más bajo posible, por ejemplo, en microscopios, telescopios y binoculares. En estas aplicaciones, las lentes generalmente se les coloca recubrimientos antirreflectantes.

ABSORCIÓN, TRANSMISIÓN Y REFLEXIÓN DE LA LUZ

Todo material absorbe luz hasta cierto grado debido a la interacción de fotones de luz con la estructura electrónica y de enlace de los átomos, iones o moléculas que conforman al material (absorción). La fracción de la luz transmitida por un material particular depende entonces de la cantidad de luz reflejada y absorbida por el mismo. Para una longitud de onda particular λ, la suma de las fracciones de la luz incidente entrante con la reflejada, absorbida y transmitida, es igual a 1

ABSORCIÓN, TRANSMISIÓN Y REFLEXIÓN DE LA LUZ

Interacción de fotones con un material. Además de la reflexión, la absorción y la transmisión, el haz cambia de dirección o se refracta. El cambio de dirección viene dado por el índice de refracción n.

Todos los materiales interactúan de alguna manera con la luz. Los fotones causan una serie de fenómenos ópticos cuando interactúan con la estructura electrónica o cristalina de un material Si los fotones entrantes interactúan con los electrones de valencia, pueden suceder varias cosas. Los fotones pueden ceder su energía al material, en cuyo caso se produce la absorción. Los fotones pueden ceder su energía, pero el material emite inmediatamente fotones de idéntica energía; en este caso, se produce la reflexión. Los fotones pueden no interactuar con la estructura electrónica del material; en este caso, se produce la transmisión. Incluso en la transmisión, sin embargo, los fotones cambian en velocidad y la refracción ocurre

Los espectros de la figura muestran el comportamiento típico de transmisión de luz de metales, semiconductores y dieléctricos en función de la frecuencia. Uno de los principales mecanismos de absorción es la promoción de un electrón desde un nivel lleno a un nivel más alto, dentro de una banda de energía. Recuerda que la energía asociada con un fotón de longitud de onda se define con la ecuación

El índice de absorción (k) en función de la longitud de onda.

Los espectros de la figura muestran el comportamiento típico de transmisión de luz de metales, semiconductores y dieléctricos en función de la frecuencia. Uno de los principales mecanismos de absorción es la promoción de un electrón desde un nivel lleno a un nivel más alto, dentro de una banda de energía. Recuerda que la energía asociada con un fotón de longitud de onda se define con la ecuación

El índice de absorción (k) en función de la longitud de onda.

Para un átomo aislado, se da la absorción de fotones por la excitación de un electrón a una estado de energía estado más alto. La energía del fotón (hv ) debe ser exactamente igual a la diferencia en energía entre los dos estados (E 4 - E 2)

Las propiedades ópticas de los materiales que se relacionan con la absorción y emisión de radiación electromagnética se explican en términos de la estructura de la banda de electrones del material

Los materiales no metálicos pueden ser opacos o transparentes a la luz visible; si es transparente, a menudo aparecen coloreadas. En principio, la radiación luminosa se absorbe en este grupo de materiales por dos mecanismos básicos, que también influyen en las características de transmisión. Las Transiciones de electrones desde la banda de valencia-banda de conducción dependen de la estructura de banda de energía de electrones del material La absorción de un fotón de luz puede ocurrir por la promoción o excitación de un electrón de la banda de valencia casi llena, a través de la banda prohibida, y en un estado vacío dentro de la banda de conducción. La energía de excitación deltaE está relacionada con la frecuencia del fotón absorbidoe estas excitaciones con la absorción pueden tener lugar sólo si la energía del fotón es mayor que la de la banda prohibida E g, es decir, si

Los materiales no metálicos que tienen energías de banda prohibida no absorben luz visible mayor de aproximadamente 3,1 eV; estos materiales, si son de alta pureza, aparecerán transparentes e incoloros

La longitud de onda máxima para la luz visible, lamda (máx.), es aproximadamente 0,7 microm; cálculando la energía mínima de banda prohibida Eg (min) para la que haya La absorción de la luz visible

Este resultado significa que toda la luz visible es absorbida para que se genere la transición de la banda de valencia a la de conducción.Los materiales semiconductores que tienen band gap menor a 1,8 eV son OPACOS . Solo una parte del espectro visible es absorbido por materiales que tienen band gap entre 1.8 y 3,1 eV; en consecuencia, estos materiales son coloridos. Todo material no metálico se vuelve opaco en alguna longitud de onda, lo que depende de la magnitud de su Eg. Por ejemplo, diamante, que tiene una banda gap de 5,6 eV, es opaco a la radiación que tiene longitudes de onda inferiores a 0,22 micro m.

La intensidad de la radiación neta absorbida depende del carácter del medio, así como de la longitud de la trayectoria en su interior. La intensidad de la radiación transmitida o no absorbida disminuye continuamente con la distancia x que atraviesa la luz. donde I0 es la intensidad de la radiación incidente no reflejada y beta, el coeficiente de absorción (en 1/mm), es característico del material en particular; además, beta varía con la longitud de onda de la radiación incidente. Los materiales que tienen valores b grandes se consideran altamente absorbentes.

MetalesCon excepción de secciones muy delgadas, los metales reflejan y/o absorben intensamente laradiación incidente desde longitudes de ondas largas (ondas de radio) hasta la mitad delintervalo ultravioleta. Puesto que la banda de conducción se traslapa con la banda de valenciaen los metales, la radiación incidente eleva con facilidad los electrones hasta los niveles deenergía más altos. Luego de descender hasta los niveles de energía inferiores, las energías delos fotones son bajas y sus longitudes de onda largas. Este tipo de acción produce hacesluminosos intensamente reflejados desde una superficie lisa, como se observa en muchosmetales como el oro y la plata. La cantidad de energía absorbida por los metales depende de laestructura electrónica de cada uno. Por ejemplo, con el cobre y el oro hay una mayor absorción de las longitudes de onda cortas del azul y el verde, y una mayor reflexión de las longitudes deonda amarilla, naranja y roja, y por ello las superficies lisas de estos metales muestran loscolores reflejados. Otros metales como la plata y el aluminio reflejan de manera considerabletodas las partes del espectro visible y muestran un color “plateado” blanco Vidrios de silicatoReflexión de la luz en una superficie de placa de vidrio La proporción de la luz incidentereflejada por una superficie de una placa de vidrio pulida es muy pequeña. Esta cantidaddepende principalmente del índice de refracción n del vidrio y del ángulo de incidencia de la luzen el vidrio Absorción de la luz en una placa de vidrio El vidrio absorbe energía de la luz que transmitede manera que la intensidad luminosa disminuye cuando se incrementa la trayectoria de la luz.La relación entre la fracción de luz que entra, I 0 , y la fracción de luz que sale, I, de una lámina oplaca de vidrio de espesor t que no tiene centros de dispersión

Las interacciones con la radiación de luz también pueden ocurrir en sólidos dieléctricos que tienen una amplia band gap, que implican transiciones de electrones distintas de la banda de valencia a la banda de conducción.Si hay impurezas u otros defectos eléctricamente activos, los niveles de electrones dentrose puede introducir la banda prohibida, como los niveles de donante y acepto excepto que se encuentran más cerca del centro de la banda gap. Radiación luminosa delongitudes de onda específicas pueden ser emitidas como resultado de transiciones de electrones que involucran estos niveles dentro de la band gap la excitación de electrones de banda de valencia-banda de conducción para un material que tiene una tal nivel de impureza. Nuevamente, la energía electromagnética que fue absorbida para la excitación electrónica puede ser disipada de otra manera, varios mecanismos son posibles.

La constante a en esta relación se denomina el coeficiente de absorción lineal y tiene las unidades de cm −1 si el espesor se mide en centímetros.

TRANSMISIÓN

La fracción del haz que no se refleja ni se absorbe se transmite a través del material. Usando los siguientes pasos, podemos determinar la fracción del haz que se transmite

La fracción del haz que no se refleja ni se absorbe se transmite a través del material. Usando los siguientes pasos, podemos determinar la fracción del haz que se transmite

La variación con la longitud de onda de las fracciones de luz incidente transmitidas, absorbido y reflejado a través de un vidrio verde

La intensidad del haz transmitido puede depende de la longitud de onda de los fotones. En los metales, debido a que no hay brecha de energía, prácticamente cualquier fotón tiene suficiente energía para excitar un electrón a un nivel de energía más alto, absorbiendo así la energía. del fotón excitado . Como resultado, incluso las muestras de metales extremadamente delgadas son opacas (a) Los dieléctricos, por otro lado, poseen una gran brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción. Si la energía de los fotones incidentes es menor que la brecha de energía, ningún electrón gana suficiente energía para escapar de la banda de valencia y, por lo tanto, no se produce la absorción Para los semiconductores intrínsecos, la brecha de energía es menor que la de los aislantes, y la absorción ocurre cuando los fotones tienen energías que exceden la brecha de energía E g, mientras que la transmisión ocurre para fotones menos energéticos (b) también se aplica a los semiconductores.

En otras palabras, solo se absorbe la luz por debajo de una determinada longitud de onda. Los semiconductores extrínsecos incluyen niveles de energía de donantes o aceptores dentro del bandgap que proporcionan niveles de energía adicionales para la absorción. Por lo tanto, los semiconductores son opacos a la radiación de longitud de onda corta pero transparentes a los fotones de longitud de onda larga . Por ejemplo, el silicio y el germanio parecen opacos a la luz visible, pero son transparentes a la radiación infrarroja de longitud de onda más larga. Muchos de los semiconductores que tienen una estrecha banda prohibida (por ejemplo, HgCdTe) se utilizan para la detección de radiación infrarroja. Estos materiales detectores deben enfriarse a bajas temperaturas (por ejemplo, usando nitrógeno líquido) dado que la energía térmica de los electrones a temperatura ambiente es suficiente para saturar la banda de conducción. La intensidad del haz transmitido también depende de las características microestructurales. La porosidad en la cerámica dispersa fotones; incluso una pequeña cantidad de porosidad (menos del 1 por ciento en volumen) puede hacer que una cerámica sea opaca. Por ejemplo, la alúmina que tiene una densidad de masa relativamente baja (debido a la porosidad) es opaca, mientras que la alúmina de alta densidad es ópticamente transparente. La alúmina de alta densidad se utiliza a menudo para fabricar bombillas. Los precipitados cristalinos, particularmente aquellos que tienen un índice de refracción muy diferente al del material de la matriz, también causan dispersión. Estos opacificantes cristalinos hacen que un vidrio que normalmente puede tener una transparencia excelente se vuelva translúcido o incluso opaco. Típicamente, los poros o precipitados más pequeños causan una mayor reducción en la transmisión de luz.

En los semiconductores los fotones de luz pueden absorberse de varias maneras. En semiconductores intrínsecos (puros) como el Si, Ge y GaAs, los fotones pueden absorberse para crear pares electrón-hueco y causar que los electrones salten la brecha de bandas de energía desde la banda de valencia hasta la de conducción (a). Para que ocurra lo anterior, el fotón de luz entrante debe tener un valor de energía igual o mayor que el de la brecha de energía E g . Si la energía del fotón es mayor que E g , el exceso de energía se disipa como calor. En semiconductores que contienen impurezas de donador y aceptor, se absorben fotones de mucho menor energía (y, en consecuencia, mucho mayor longitud de onda) causando que los electrones salten desde la banda de valencia en niveles de aceptor (b) o desde niveles de donador a la banda de conducción ( figura 15 . 8 (c). Por tanto, los semiconductores son opacos a fotones de luz de energía alta e intermedia (longitud de onda corta e intermedia) y transparentes a fotones de longitud de onda muy larga y baja energía.

Plásticos Muchos plásticos no cristalinos como el poliestireno, el polimetil metacrilato y el policarbonato, tienen excelente transparencia. Sin embargo, en algunos materiales plásticos hay regiones cristalinas que tienen índices de refracción superiores a los de su matriz no cristalina. Si estas regiones son de mayor tamaño que la longitud de onda de la luz incidente, las ondas luminosas se dispersarán por reflexión y refracción, y, en consecuencia, disminuye la transparencia del material ( figura 15 . 7). Por ejemplo, el polietileno de lámina delgada, que tiene una estructura de cadena ramificada y por ello un bajo grado de cristalinidad, tiene mayor transparencia que el polietileno de cadena lineal más cristalino y de densidad más alta. Las transparencias de otros plásticos parcialmente cristalinos pueden variar de lo oscuro a lo opaco, dependiendo sobre todo de su grado de cristalinidad, contenido de impurezas y contenido de cargas.

fotoconducción

SECCIÓN 01

Ocurre en materiales semiconductores si el semiconductor es parte de un circuito eléctrico. Si la energía de un fotón entrante es suficiente, se excita un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción, creando así un hueco en la banda de valencia. Luego, el electrón y el hueco llevan carga a través del circuito. La longitud de onda máxima del fotón entrante que producirá fotoconducción está relacionada con la brecha de energía en el material semiconductor.

PÁNELES SOLARES-generacion de voltaje

SECCIÓN 01

Los pares de electrones y huecos generados por absorción óptica están separados, y esto genera cierto voltaje que provoca un flujo de corriente en un circuito. Los páneles solares son uniones p-n diseñadas para que los fotones exciten a los electrones a la banda de conducción. Los electrones se mueven hacia el lado n de la unión, mientras que los huecos se mueven hacia el lado p de la unión. Este movimiento produce un voltaje de contacto debido al voltaje de carga. Si la unión p-n está conectada a un circuito eléctrico, la unión actúa como una batetía que alimenta all circuito. Los pánles solares utilizan recubrimientos antirreflectantes para que se capturen el máximo de elementos clave del espectro solar.

PÁNELES SOLARES-generacion de voltaje

SECCIÓN 01

La fotoconducción en semiconductores implica la absorción de energía excitando electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. En lugar de volver a la banda de valencia para provocar la emisión, los electrones excitados llevan una carga a través de un circuito eléctrico. Un panel aprovecha este efecto.

SECCIÓN 01

LED S

La luz que es absorbida hace que los electrones sean promovidos a la banda de conducción. Cuándo estos electrones vuelven a caer en la banda de valencia, se combinan con los huecos y pueden provocar la emisión de luz. Muchos semiconductores se pueden adaptar para tener bandgaps particulares, produciendo LED de diferentes colores. Este fenómeno también es utilizado en láseres semiconductores

LOREM IPSUM DOLOR SIT AMET

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Leds7.gif

LED S

SECCIÓN 01

Los elementos de un sistema fotónico para transmitir información implican unláser o LED para generar fotones a partir de una señal eléctrica, fibras ópticas para transmitir la haz de fotones de manera eficiente, y un receptor LED para convertir los fotones de nuevo en un señal eléctrica.

LOREM IPSUM DOLOR SIT AMET

SECCIÓN 01

OPTOELECTRÓNICA

La optoelectrónica reúne la óptica y la electrónica en un solo dispositivo, un solo material. El material elegido debe permitir la manipulación de la luz, la manipulación de la corriente eléctrica y su interacción. Los metales son excelentes conductores eléctricos, pero no permiten que la luz viaje al interior. Los Vidrios y dieléctricos son materiales que pueden acomodar y guiar ondas de luz, como en las fibras ópticas, pero son aislantes eléctricos. Los semiconductores se encuentran entre estos dos tipos de materiales, ya que pueden transportar corriente eléctrica y ondas de luz. Aún mejor, los semiconductores se pueden diseñar para permitir la transformación de la luz en corriente y viceversa. La conducción de corriente eléctrica se basa en el flujo de electrones. La mayoría de los electrones están unidos a átomos individuales y no pueden moverse libremente. Solo algunos electrones débilmente unidos se liberan y se convierten en electrones de conducción. El mismo número de átomos cargados positivamente (iones) queda atrás; la carga neta es cero. Las cargas positivas también pueden moverse, ya que los electrones de valencia saltan de un átomo a otro. Por tanto, tanto los electrones de valencia (huecos) como los electrones de conducción pueden transportar corriente eléctrica. Ambos portadores están separados por una brecha de energía; es decir, los electrones de valencia necesitan recibir al menos la energía de la brecha Eg para convertirse en electrones de conducción. En semiconductores, la energía de la brecha es del orden de 1 eV

SECCIÓN 01

OPTOELECTRÓNICA

La optoelectrónica se ha convertido en una parte importante de nuestras vidas. Dondequiera que se use la luz para transmitir información, se necesitan pequeños dispositivos semiconductores para transferir corriente electrica en señales ópticas y viceversa. Los ejemplos incluyen diodos emisores de luzdiodos, fotodetectores en puertas de ascensores y en cámaras tales y diodos láser que transmiten llamadas telefónicas a través de fibras de vidrio.Los dispositivos optoelectrónicos aprovechan las interacciones sofisticadas entre los electrons y la luz. Las estructuras semiconductoras a escala nanométrica suelen estar en el corazón de los dispositivos optoelectrónicos modernos. Su tamaño cada vez menor y su complejidad creciente hacen que la simulación por computadora sea una herramienta importante para diseñar mejores dispositivos que cumplan conrequisitos de rendimiento cada vez mayores. El software en optoelectrónica sigue la tendencia observada en la década de 1980 con simulacionessoftware de instalación para dispositivos de silicio. Hoy en día, el software para tecnología asistida por computadora