Principios de análisis instrumental

150 Capítulo 7 Componentes de los instrumentos ópticos {(( /Radiación no paralela ~-~--~-~-~/~/-~----~~~<~/~--~ B -+- Medio activador del láser- ~ -------+- Rayo láser .K J. ....... ~ J. ................ • Espejo Radiación -,--L:::;=:=:=:=:=:=:=:=:::::r, parcial men te transmisor FIGURA 7.4 Esquema de una fuente de rayos láser representativa. 78.3 Fuentes de rayos Láser Los rayos láser son fuentes de uso muy extendido en los instrumen– tos analíticos debido a sus altas intensidades, sus anchos de banda angostos y la naturaleza coherente de sus salidas. 3 El primer láser se construyó en 1960. Desde entonces, los químicos han descubierto numerosas aplicaciones útiles en la espectroscopia de alta resolu– ción, en el estudio y monitoreo de fenómenos ultra rápidos, en la detección y en la determinación de trazas de elementos en el suelo del planeta Marte y en la atmósfera terrestre, así como en ciencias forenses .'' Además, las fuentes de rayos láser han adquirido relevan– cia en varios métodos analíticos de rutina, como en la espectrosco– pia Raman, espectroscopia de absorción molecular, espectroscopia de emisión y como parte de los instrumentos para la espectroscopia de IR de la transformada de Fourier. El término láser es un acrónimo del término en inglés light amplification by stimulated emission of radiation. Por sus caracte– rísticas amplificadoras de luz, los rayos láser producen haces de radiación espacialmente angostos (de sólo unos cuantos centési– mos de micrómetro) pero muy intensos. El proceso de la emisión estimulada, que se explicará más adelante como resumen, genera un haz de radiación altamente monocromático (ancho de banda de 0.01 nm o menos) y notablemente coherente (sección 6B.6). Por sus características únicas, los rayos láser constituyen hoy fuentes importantes en las regiones UV, visible e IR del espectro. Una limitación de los primeros rayos láser era que la radiación proveniente de una fuente dada se restringía a pocas longitudes de onda o líneas discretas, relativamente. Pero ahora se cuenta con rayos láser sintonizables, los cuales proporcionan bandas bastante angostas de radiación en varias regiones espectrales distintas. 3 Para un estudio más amplio sobre rayos láser y espectroscopia láser, véase K. Thyagarajan y Ajoy Ghatak, Lasers: Fundamental and Applications, 2a. ed., New York: Springer, 2010; W T. Silfvast, Laser Fundamentals, 2a. ed., Cambridge: Cam– bridge Univ. Press, 2008; H. H. Telle, A. G. Urena, y R.). Donovan, Laser Chemistry: Spectroscopy, Dynamics and Applications. Chichester: Wiley, 2007. D. L. Andrews y A. A. Demidov, eds., An Introduction to Laser Spectroscopy, 2a. ed., New York: Springer, 2002. 'Para artículos y revisiones sobre algunas de estas aplicaciones, refiérase a). B. Bax– ter y G. W Guglietta, Anal. Chem., 2011, 83, 4342-4368, DO!: !0.102! /ac200907z; F.). Fortes, ). Moros, P. Lucena, L. M. Cabalín, y ). ). Laserna, Anal. Chem., 2013,85, 640-669, DO!: !0.!02l/ac303220r; K. H. Cochran, ). A. Barry, D. C. Muddiman, y D. Hinks, Anal. Chem., 201 3,85, 83 1-836, DO!: !0.!02llac302519n; F. A. Orellana, C. G. Gálvez, M. T. Roldán, y C. García-Ruiz, TrAC Trends Anal. Chem., 20!3, 42, 1-34, DO!: 10.10!6/j.trac.20 12.09.015. Componentes de los rayos láser En la figura 7.4 se muestra un esquema con los componentes de una fuente de láse r convencional. El corazón del dispositivo es el medio de amplificación de la luz; puede ser un cristal sólido como un rubí, un semiconductor como el arseniuro de galio, una solución de un colorante orgánico, o un gas como el argón o el kriptón. Con frecuencia, el material generador se activa o se bom– bea por radiación proveniente de una fuente externa, de modo que unos pocos fotones de energía apropiada desencadenarán la formación de una cascada de fotones de la misma energía. El bombeo se puede lograr también mediante corriente o descarga eléctrica. Por consiguiente, los láseres de gas carecen de fuente de radiación externa como se muestra en la figura 7.4, y la alimenta– ción de energía se conecta a un par de electrodos que están dentro de una celda llena de gas. Un rayo láser funciona, por lo regular, como un oscilador o un resonador en el sentido de que la radiación producida por su acción se mueve numerosas veces de un lado a otro en el medio a través de un par de espejos, como se observa en la figura 7.4. Cada vez que pasa, se generan fotones adicionales, lo que ocasiona enorme amplificación. Los movimientos repetidos también pro– ducen un haz que es casi paralelo porque la radiación que no lo es escapa desde los lados del medio después de ser reflejada algunas veces (véase la figura 7.4). Una de las formas más fáciles de obte– ner un rayo láser útil es cubrir uno de los espejos con una capa suficientemente fina de material reflectante para que una fracción del haz se transmita en lugar de reflejarse. Mecanismos de acción láser Para ilustrar la acción láser, considere un sistema molecular. Muchos rayos láser son atómicos o iónicos, y aunque sus meca– nismos son similares a los de los rayos láser moleculares, los deta– ll es son distintos. Para entender la acción láser hay que tomar en cuenta los cuatro procesos que se ilustran en la figura 7.5: a) bombeo, b) emisión espontánea (fluorescencia), e) emisión esti– mulada y d) absorción, y que muestran el comportamiento de dos de las moléculas que conforman el medio donde se genera el rayo láser. Se describen dos de algunos niveles energéticos electróni– cos que poseen energías Ey y Ex. Observe que el estado electrónico superior de cada molécula tiene niveles energéticos vibracionales ligeramente distintos denominados Er, E;, E;:, y así sucesivamente. No se muestran otros niveles para el estado electrónico inferior, aunque sí existen generalmente. Observe que el He-Ne, Ar+, rubí, Nd-YAG, y otros rayos láser atómicos o iónicos carecen de niveles vibracionales, pero poseen otros estados electrónicos.