Principios de análisis instrumental

El rayo láser de nitrógeno se bombea con una fuente de chis– pas de alto voltaje que proporciona un impulso momentáneo (l a 5 ns) de corriente a través del gas. La excitación origina una inver– sión de la población que disminuye con rapidez mediante emisión espontánea, porque el tiempo de vida del estado excitado es muy corto respecto al del nivel inferior. El resultado es un pulso breve (unos cuantos nanosegundos) de radiación UV intensa (mayor a 1 MW). El rayo láser de dióxido de carbono se utiliza para produ– cir radiación monocromática infrarroja a 10.6 flm. Los rayos láser excímeros contienen una mezcla gaseosa de helio, flúor y uno de los gases raros argón, kriptón o xenón. El gas raro se excita electrónicamente mediante una corriente y ense– guida reacciona con el flúor para formar especies excitadas, como ArF*, KrF*, o XeF*, llamados excímeros porque son estables sólo en estado excitado. Puesto que el estado esencial del excímero es inestable, la disociación rápida de los compuestos se presenta cuando al relajarse ceden un fotón. Por consiguiente, hay una inversión de la población siempre que haya bombeo. Rayos láser de color.¡ Se han convertido en fuentes impor– tantes de radiación en la química analítica porque son sintoni– zables en forma continua en un intervalo de 20 a 50 nm en la región visible del espectro. Al cambiar el color , los valores de longitud de onda de un rayo láser de color se pueden ajustar para que sean amplios. El ancho de banda de un rayo láser de color sintonizable es, en general, de sólo unas centésimas de nanóme– tro o menos. Los materiales activos en los rayos láser de color son disoluciones de compuestos orgánicos capaces de manifestar fluorescencia en las regiones ultravioleta, visible o infrarroja. Los rayos láser coloridos son sistemas de cuatro niveles. En contraste con los otros rayos láser de este tipo que se han considerado, el nivel energético inferior para la acción láser (Ex en la figura 7.6b) no es energía simple, sino una banda de energías que surgen de la superposición de una gran cantidad de estados energéticos vibra– cionales y rotacionales muy cercanos en el estado electrónico basal. Los electrones en Ey podrían entonces sufrir transiciones a cualquiera de estos estados, y producir fotones de energías lige– ramente diferentes. La sintonización de los rayos láser de color se puede lograr con facilidad si se reemplaza el espejo no trans– misor que se muestra en la figura 7.4 con una red de reflexión o un interferómetro de Fabry-Perot (véase más adelante) que refleja sólo un ancho de banda angosto de radiación en el medio láser. La longitud de onda pico se puede variar mediante una red o inclinando el interferómetro. Luego se estimula la emisión para sólo una parte del espectro de fluorescencia, es decir, la longitud de onda seleccionada por el monocromador. Los rayos láser de colorante se pueden operar en el modo de impulsos o de onda continua. Láseres semiconductores. Las fuentes de luz semiconductoras son fundamentales en la fotónica comercial, en la ciencia y en la tecnología (véase la sección 2C para un análisis de los principios de los semiconductores). Los diodos emisores de luz (LED, por su sigla en inglés) y los diodos láser han revolucionado estas áreas. Los láseres semiconductores tienen características que los hacen 7 Para más información, véase M. Stuke, ed., Dye Lasers: Twenty-Five Years, New York: Springer, 1992; F.). Duarte y L. W. Hillman, Dye Laser Principies with Applica– tions, San Diego: Academic Press, 1990; ver también referencia 6. »> 78 Fuentes de radiación 155 TABLA 7.2 Propiedades de emisión de materiales Led inorgá– nicos tí picos - - - ~ ' ... ' - ~ - - . Material/ Longitud de onda máxima o sustrato rango de longitud de onda InGaN/GaN 360-525 dependiendo de la composición SiC 470 GaP 550 GaAs 1 _xPxfGaAs 589-700 dependiendo de la composición Ga 1 _xAlxAs/GaAs 650-900 dependiendo de la composición GaAs 880-1020 dependiendo de la composición InGaAsP!InP 600-1600 dependiendo de la composición atractivos en comparación con otros tipos de láser: son pequeños, eficientes para convertir energía eléctrica en energía radiante, y capaces de modularse. Además, los láseres semiconductores pue– den diseñarse para producir radiación en un amplio rango de lon– gitudes de onda. 8 Cuando se aplica un voltaje a un diodo semiconductor en la dirección hacia adelante (véase la sección 2C.2), los electrones se excitan en la banda de conducción, se crean pares de huecos de electrones y el diodo conduce. En última instancia, algunos de estos electrones se relajan y regresan a la banda de valencia, y se libera energía que corresponde al salto de energía entre bandas Eg = hv. Una parte de la energía se libera en forma de radiación electromagnética de frecuencia v = Eglh. Los diodos emisores de luz se fabrican para incrementar la producción de luz. Los LED suelen elaborarse con fosfuro de arsénico galio (GaA 51 _,PJ. La energía del espacio de banda depende de las cantidades relativas de As y P, dados por la cantidad fracciona! de x. Al variar esta fracción de 0.15 a 0.6 se cambia la longitud de onda máxima de emisión de 589 nm en el amarillo a 650 nm en el rojo. Los diodos de este tipo se utilizan ampliamente como indicadores y en los sistemas de lectura de los instrumentos electrónicos. Al emplear compuestos binarios, ternarios y cuaternarios fabricados con ele– mentos del grupo III y elementos del grupo V, se pueden producir rangos de emisión diferentes. En la tabla 7.2 se enlistan los mate– riales LED comerciales más importantes y sus rangos de longitud de onda o longitudes de onda máximas. Los diodos emisores llamados LED de "luz blanca" pueden fabricarse combinando LED rojos, verdes y azules en un paquete integrado, o iluminando fósforos apropiados con un LED azul intenso. Los LED de luz blanca se encuentran en linternas, lámpa– ras de noche y linternas para acampar, así como en otros disposi– tivos de iluminación generales. Son muy utilizados en fotómetros simples y en otros detectores fotométricos, como se describe en la sección 13D.l. El diodo láser guarda una estrecha relación con los LED pues ambos generan luz a partir de una recombinación de un 8 Para información adicional sobre los láseres semiconductores véase L. A. Coldren, S. W. Corzine y M. L. Mashanovitch, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, Hoboken, N): Wiley 2012; ). Ohtsubo, Semiconductor Lasers: Stability, Instability, and Chaos, 3a. ed., Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2013; T. Numai, Fundamen– tals ofSemiconductor Lasers, New York: Springer-Verlag, 2004.