Laboratorio 2B A.A. 2012/2013. 7 Ottica Fisica II. Assorbimento Sorgenti luminose LED Diodi laser. Lab 2B CdL Fisica



Documenti analoghi
Capitolo 4 Le spettroscopie. 1. Lo spettro elettromagnetico

EMISSIONE E ASSORBIMENTO DI LUCE DA PARTE DELLA MATERIA

Dispositivi optoelettronici (1)

Spettrofotometria. Le onde luminose consistono in campi magnetici e campi elettrici oscillanti, fra loro perpendicolari.

SPETTROSCOPIA ATOMICA

Istituzioni di fisica della materia I Lezione 3. S. Solimeno lezione 3 1

Capitolo 2 Caratteristiche delle sorgenti luminose In questo capitolo sono descritte alcune grandezze utili per caratterizzare le sorgenti luminose.

Laser Fabry-Perot Distributed Feedback Laser. Sorgenti ottiche. F. Poli. 22 aprile F. Poli Sorgenti ottiche

I.P.S.I.A. Di BOCCHIGLIERO Fotoemettitori e Fotorivelatori ---- Materia: Telecomunicazioni. prof. Ing. Zumpano Luigi. Filippelli Maria Fortunata

Misura delle proprietà di trasmissione e assorbimento della luce da parte dei materiali mediante spettrofotometro

Genova TIPOLOGIE DI LAMPADE

Spettroscopia atomica

Corso di Laboratorio di Fisica prof. Mauro Casalboni dott. Giovanni Casini

Proprietà ottiche di nanocristalli

IL LASER. Principio di funzionamento.

La propagazione delle onde luminose può essere studiata per mezzo delle equazioni di Maxwell. Tuttavia, nella maggior parte dei casi è possibile

Corso di DISPOSITIVI E SISTEMI PER LE COMUNICAZIONI IN FIBRA OTTICA

La legge di Lambert-Beer

Le sorgenti di radiazioni ottiche artificiali (ROA) non coerenti

Campione sciolto in un solvente (deuterato) e. posto in un tubo. di vetro a pareti sottili di diametro di 5 mm e lungo circa 20 cm

PIANO DI STUDIO DELLA DISCIPLINA

Una sorgente luminosa artificiale è generalmente costituita da due parti:

Polimeri semiconduttori negli OLED

FONDAMENTI DI OPTOELETTRONICA (DM 270/04, III anno CdS in Ing. Elettronica e delle Telecomunicazioni)

Radiazione atmosferica

Capitolo 3 Sorgenti artificiali di luce 3.1 Lampade ad incandescenza

L analisi della luce degli astri: fotometria e spettrometria

Università degli studi di Messina facoltà di Scienze mm ff nn. Progetto Lauree Scientifiche (FISICA) Prisma ottico

LA GIUNZIONE PN. Sulla base delle proprietà elettriche i materiali si classificano in: conduttori semiconduttori isolanti

FONDAMENTI DI ILLUMINOTECNICA

CORSO DI FISICA TECNICA 2 AA 2013/14 ILLUMINOTECNICA. Lezione n 3:

LA TERMOGRAFIA SPETTRO ONDE ELETTROMAGNETICHE

XRF SEM Micro-Raman. Fluorescenza a raggi X (XRF) S4 Pioneer - Bruker. Analisi elementale qualitativa e quantitativa

SPETTROFOTOMETRI. Visibile e UV-Visibile

L osservazione in luce bianca è, per così dire, l osservazione del Sole al naturale ovviamente dopo averne attenuato la fortissima emissione di luce.

Spettroscopia e spettrometria ottica. Francesco Nobili

Struttura Elettronica degli Atomi

COMPARAZIONE COSTI LAMPADE AI VAPORI DI MERCURIO AL ALTA PRESSIONE VS LED BAY ECOMAA

Da Newton a Planck. La struttura dell atomo. Da Newton a Planck. Da Newton a Planck. Meccanica classica (Newton): insieme

PANNELLI SOLARI TERMICI PANNELLI SOLARI FOTOVOLTAICI

vi dipende dalla composizione del mezzo che attraversa

Lo schema a blocchi di uno spettrofotometro

SPETTROSCOPIA MOLECOLARE

INTRODUZIONE: PERDITE IN FIBRA OTTICA

Inlon Engineering Srl Via Zara, La Spezia Italia Tel: Fax: Luci a led: per risparmiare e illuminare meglio

LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI TECNOLOGIA LASER


Spettroscopia Raman. Trasmissione-assorbimento

IL MODELLO ATOMICO DI BOHR

Sorgente di luce e illuminanti

Ottica fisiologica (2): sistemi ottici

Architettura hardware

Associazione Politico Culturale ALBA NUOVA e COPERTINO MEETUP LAMPADE VOTIVE LED

Eliosismologia. Marco Potenza. Planetario di Milano 30 maggio 2006

Collettori solari. 1. Elementi di un collettore a piastra

APPUNTI DI OPTOELETTRONICA FOTORIVELATORI

) e assorbanza A = -log T A destra: diverse scelte per la linea di base

Relazione di Fisica. IV E a.s. 2011/2012. Badioli Federico, Ciprianetti Sofia, Pasqualini Roberto.

LA CORRENTE ELETTRICA

Corso di insegnamento Biochimica e Biotecnologie degli Alimenti. Spettrofotometria. Lezione n. XXII

Il diodo emettitore di luce e la costante di Planck

Il rispetto delle normative a garanzia del benessere dell uomo

REAZIONI ORGANICHE Variazioni di energia e velocità di reazione

Istituto Nazionale di Astrofisica Osservatorio Astronomico di Palermo. Terza lezione. Antonio Maggio. INAF Osservatorio Astronomico di Palermo

CATALOGO GENERALE 2013

Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

SPETTROSCOPIA UV/visibile

1 Caratteristiche dei materiali utilizzati in ottica oftalmica di Alessandro Farini 1.1 Caratteristiche ottiche dei materiali oftalmici

Metodi di datazione di interesse archeologico

Si classifica come una grandezza intensiva

La diffrazione. Lezioni d'autore

TERMOMETRIA E PROCESSI TERMICI

1, 2 o 4 metri. Possono essere installate singolarmente o in linea e sono disponibili in versione a soffitto o sospesa.

Spettrometria. Introduzione.

Versione 1 Luglio 08 Laser a.a. 2007/08 Parte 5 Versione 1

Tutte le tecniche spettroscopiche si basano sulla interazione tra radiazione elettromagnetica e materia.


IL FOTOVOLTAICO E L ARCHITETTURA

APPUNTI DI RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE Dr. Claudio Santi. CAPITOLO 1 NMR Risonanza Magnetica Nucleare

Teoria dell immagine

D.LGS.81/08 TITOLO VIII CAPO V RADIAZIONI OTTICHE ARTIFICIALI (ROA)

Coerenza. Risonatori e struttura a modi

CENNI DI OPTOELETTRONICA

CONTROLLO IN TENSIONE DI LED

Laboratorio di Ottica, Spettroscopia, Astrofisica

Cavità. Mezzo attivo Radiazione laser. Pompaggio. Lab. Micro-OptoElettronica CdL Fisica A.A. 2006/7

Elettroerosione Macchina per elettroerosione

Sorgenti di radiazione luminosa

LE CURVE FOTOMETRICHE

Spettroscopia FM con diodi laser per il monitoraggio atmosferico: applicazione al metano

Introduzione alle tecniche spettroscopiche e all interazione radiazione/materia. Francesco Nobili

TECNICHE SPETTROSCOPICHE PER I BENI CULTURALI: SPETTROMETRIA DI FLUORESCENZA X

SENSORI E TRASDUTTORI

DETERMINAZIONE DEL pk a DI UN INDICATORE DA MISURE SPETTROFOTOMETRICHE

Piano Lauree Scientifiche Laboratorio di Ottica: Diffrazione ed Interferenza parte I Incontro 3 27/4/2011

Lampadina LED news feb 2015

Descrizione generale del prodotto

Termologia. Introduzione Scale Termometriche Espansione termica Capacità termica e calori specifici Cambiamenti di fase e calori latenti

1. Introduzione. 2. Simulazioni elettromagnetiche per la misura del SAR

LE FIBRE OTTICHE. Indice generale

Transcript:

Laboratorio 2B A.A. 2012/2013 7 Ottica Fisica Assorbimento Sorgenti luminose LED Diodi laser

Spettrofotometria: assorbimento ottico La spettroscopia può fornire informazioni sulla natura degli atomi. Esempio: «spettro a righe» dovuto alla emissione luminosa dovuta ad una scarica elettrica in gas (es. He). Tuttavia le cose si complicano quando si ha a che fare con agglomerati più complessi di atomi, come molecole e solidi.

Assorbimento ottico - 2 Modello fisico L assorbimento avviene quando l energia posseduta da un fotone viene assorbita da un elettrone del materiale irradiato determinando una transizione verso uno stato energetico superiore (eccitato) Poiché le energie coinvolte sono quantizzate (fotone ed elettrone), cioè assumono valori discreti, si osservano solo alcune specifiche transizioni (permesse). 34 E hv h 6.62610 J s ~ 400-700 nm ~ 115 nm ~ 200 400 nm ~ 150-250 nm

Assorbimento ottico - 3 h * Quindi ci aspetteremmo uno spettro di assorbimento di questo tipo, ma Questo non avviene!

Assorbimento: Forme di riga (Lineshape) La causa risiede nel fatto che le molecole sono in continua rotazione e vibrazione. Ciascuno stato rotazionale o vibrazionale modifica leggermente l energia della transizione. La distribuzione su questi stati avviene su base statistica. Quindi la forma di riga del nostro spettro di assorbimento è (per esempio) normalmente distribuita.

Assorbimento: Forme di riga - 2 L assorbimento è una proprietà additiva, cioè lo spettro complessivo è la somma delle singole forme di riga (es. Gaussiane) associate con ciascuna transizione. Questo può rendere l analisi di soluzioni complesse piuttosto complicata, in particolare rispetto alle intensità relative di ciascuna componente.

Legge dell assorbimento di Lambert Lambert descrisse come l intensità luminosa si modifica man mano che la radiazione procede all interno di un mezzo materiale. n un mezzo uniformemente assorbente l intensità luminosa diminuisce proporzionalmente alla distanza percorsa. E il risultato del fatto che un fotone ha una probabilità fissata di essere assorbito durante il suo percorso nel mezzo. La costante di decadimento lineare α è una caratteristica del mezzo. Ha le dimensioni del reciproco di una lunghezza. α è la distanza per cui l intensità è attenuata fino a 1/e. d dx d d e 0 x x (x) 0 l ( x) 0 e x α x Johann Heinrich Lambert 1728-1777 0 e l

Legge di assorbimento di Lambert (base 10) Tipicamente la base 10 viene utilizzata in spettrofotometria. x kx 0e 010 k ln10 0 x kx e 10 k è la distanza lungo cui l intensità è attenuata di un fattore 1/10. 0 10 kx

Legge di Lambert: esempio Se una lamina di materiale assorbente di spessore l riduce a metà l intensità del fascio di luce, 2 1 10 0 l k Tre lamine ridurranno di un ottavo l intensità del fascio di luce. Allora due lamine dello stesso materiale assorbente ridurranno di un quarto l intensità del fascio di luce. 4 1 2 1 10 2 2 0 l k α 0 l α 0 l α l 8 1 2 1 10 3 3 0 l k α l α l α 0 l

n altri termini: Legge di Beer Beer trovò che, per una soluzione di una sostanza assorbente, la costante k del decadimento lineare di Lambert è linearmente dipendente dalla sua concentrazione c, attraverso l estinzione molare ε specifico della sostanza. La costante di decadimento lineare k è lineare nella concentrazione c con una costante di proporzionalità ε. k c Unità di misura: k cm 1 ; c M (moli/litro); ε M 1 cm 1 Un assorbitore colorato presenta una estinzione dipendente dalla lunghezza d onda ε(λ). L estinzione molare è una proprietà fondamentale di una sostanza. Questa è la proprietà che contiene l informazione spettroscopica osservabile che si può collegare al modello terico microscopico per l interazione radiazione materia (sezione d urto di assorbimento).

Quantità Fotometriche n fotometria misuriamo l intensità della luce ed analizziamo i cambiamenti determinati da oggetti e/o sostanze. Questa variazione è tipicamente espressa come trasmittanza percentuale o assorbanza. Trasmittanza (T) Utilizzata quando l attenzione è concentrata sulle caratteristiche del fascio di luce T 0 Usualmente data in percentuale. Assorbanza (A) Utilizzata quando l attenzione è concentrata sulle proprietà del materiale A log 0 log T Per convenzione, si utilizza il logaritmo in base 10.

Legge di Lambert-Beer Le leggi di Lambert e di Beer vengono combinate per descrivere il fenomeno dell attenuazione della luce da parte di una soluzione. Vediamo come le due quantità fotometriche standard (trasmittanza ed assorbanza) possono essere scritte in termini della legge di Lambert-Beer: 10 0 c x Trasmittanza Assorbanza T T 0 10 c x A A log cx 0 log T

Strumentazione spettroscopica Spettrometro: misura vs λ. Misura semplicemente lo spettro della luce (es. Spettroscopia di emissione). Spettrofotometro: misura / 0 vs λ. Misura come il campione modifica lo spettro della radiazione (es. trasmissione, riflettività, diffusione, fluorescenza). Tutti gli spettrofotometri contengono uno spettrometro. -metro: il rivelatore è elettronico -grafo: l intensità luminosa è registrata su pellicola fotografica -fotometro: misura / 0 senza selezionare λ.

Reticolo di diffrazione fentitura Spettrofotometro Misura l assorbanza in funzione della lunghezza d onda Componenti: sorgente di luce, monocromatore, cella campione, rivelatore, sistema ottico. monocromatore Cella portacampione rivelatore Sorgente luminosa

Controllo e acquisizione da PC Spettrofotometro monocromatore rivelatore campione sorgente luminosa Siete in grado di identificare il reticolo e le fenditure di ingresso e di uscita?

Sorgenti di luce Sorgenti a spettro continuo Sorgenti a spettro discreto

Radiazione termica e legge di Planck Evidenza sperimentale: i corpi riscaldati emettono radiazione Radiazione termica presente in una certa cavità a temperatura T Densità spettrale di energia dv v 8 v 3 c 2 e hv dv 1 hv kt Energia totale Etot T 4 emissività corpo nero = 1 (caso ideale) corpo grigio 0 < < 1 (caso reale) 5.6710 Wm K 8 2 4

Lampade a filamento Le lampade a filamento di tungsteno sono usate laddove è necessario disporre di uno spettro ampio che si estende dal visibile al vicino infrarosso. l passaggio di corrente elettrica (effetto Joule) riscalda un filo di tungsteno a sufficienza da diventare incadescente (intorno a circa 2700 K si ottiene una luce di colore quasi bianca ). Lampade alogene: usano sempre un filamento di tungsteno, ma contenuto in un involucro più piccolo di quarzo (se fosse di vetro fonderebbe) contenente un gas alogeno (es. odio) che limita il processo di esaurimento per evaporazione del filamento, permettendo anche temperature più elevate (anche maggiori di 3000 K).

Sorgenti con spettro continuo Lampade con spettro tipo corpo nero Lampade a scarica in un gas (deuterio, xenon, mercurio)

Lampade spettrali e fluorescenti Le lampade spettrali sono comunenemente impiegate come sorgenti stabili di righe spettrali discrete, relative a spettri atomici di specifici elementi (es. metalli, gas, etc.). La purezza spettrale delle lampade a scarica è molto buona grazie alla elevata purezza dei metalli/gas contenuti. Gli atomi sono eccitati a stati energetici più elevati, da cui poi decadono emettendo la radiazione caratteristica, dal flusso di corrente elettrica che si stabilisce durante la scarica.

Emissione e Assorbimento h h h E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 h h h h h h h h hn n Out Out Out h h h E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 (a) (a) (a) Absorpt ion ion ion(b) (b) (b) Spontaneous emission (c) (c) (c) Stimulated emission Assorbimento Emissione Absorption, spontaneous spontanea (random photon) emission stimolata and and and st imulated emission. 1999 1999 S.O. S.O. S.O. Kasap, Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Hall) Emissione Fluorescenza (LED) Radiazione laser

Light Emitting Diode (LED) Lunghezze d onda da 350 nm a 1300 nm Tipiche tensioni di alimentazione comprese tra 2 e 3 DC volts, con corrrenti di decine di ma.

LED Strutture ad emettitore laterale Le eterogiunzioni di materiali semiconduttori sono efficaci nel confinare l emissione luminosa e nel limitare gli effetti di autoassorbimento: il materiale con più alto bandgap non assorbe la luce emessa da quello a più basso bandgap. Altri strati (cladding) servono a realizzare una vera e propria guida d onda. L emissione è più confinata e non soffre del problema dell angolo critico.

nversione di popolazione n condizioni di equilibrio i sistemi fisici tendono ad occupare livelli energetici più bassi. E 2 N 2 E 1 N 1 Se, fuori equilibrio, si realizzano condizioni per cui N 2 > N 1, questa è essenziale perchè il processo di emissione stimolata prevalga sulla spontanea (guadagno). E 2 N 2 E 1 N 1 Ovviamente le condizioni di fuori equilibrio si ottengono (e mantengono) a spese di un sistema esterno (pompaggio).

Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: LASER Dispositivo basato sul fenomeno dell emissione stimolata, i cui componenti sono fondamentalmente tre: 1. Mezzo attivo 2. Sistema di pompaggio 3. Cavità risonante Cavità Mezzo attivo Radiazione laser Pompaggio

Cavità Risonante Guadagno + Retroazione = Laser

Diodo Laser Laser a semiconduttore Sono simili agli altri laser (p. es. a gas He-Ne o a stato solido Rubino ) nel senso che la radiazione emessa è monocromatica con alto grado di coerenza spaziale e temporale ed alta direzionalità. Vi sono tuttavia differenze: Transizioni radiative avvengono tra livelli atomici discreti (laser convenzionali), tra stati di banda (semiconduttori); Laser a semiconduttore molto compatto (~0.1 mm o meno), con regione attiva < 1mm divergenza fascio più elevata; Caratteristiche spaziali e spettrali influenzati dalle proprietà della giunzione (bandgap, indice di rifrazione); Pompaggio assicurato dal passaggio di una corrente diretta di giunzione che può essere facilmente modulata e quindi modulare ad alte frequenze la radiazione laser.

Caratteristiche elettro-ottiche Semplificando si può dire che un laser a semiconduttore è simile a un Led con l aggiunta di una cavità risonante ottica.

Diodi Laser Emissione di forma ellittica e con una pronunciata divergenza Necessità di un sistema ottico correttivo (lente o sistemi di lenti)