Se considera que la región espectral infrarroja es la parte del espectro electromagnético que abarca desde los 700 nm (límite para el rojo) hasta los 1.000 µm. Dentro del infrarrojo, generalmente se distinguen tres bandas: infrarrojo cercano (near infrared, NIR, 780 nm – 3 µm), infrarrojo medio (mid-infrared, MIR, 3 µm – 50 µm) e infrarrojo lejano (far infrared, FIR, 50 µm – 1000 µm). Los rangos entre paréntesis corresponden a las definiciones de la normativa ISO 20473, ya que otros organismos establecen otros límites para estas regiones.
El objetivo de este post es explicar el funcionamiento básico de las fuentes de luz infrarroja más comunes utilizadas con fines de investigación, así como sus características y principales aplicaciones. Estas fuentes de luz son las siguientes:
• Lámparas halógenas: son lámparas incandescentes, es decir, fuentes de luz cuyo funcionamiento se basa en la radiación emitida por un filamento calentado eléctricamente. Este filamento se encuentra en una bombilla llena de una mezcla de gases que incluye un gas halógeno, de ahí el nombre. El filamento está hecho de tungsteno, por lo que también se puede emplear el término lámpara halógena de tungsteno. Su funcionamiento se basa en un ciclo: la corriente eléctrica calienta el filamento y vaporiza el tungsteno, que luego reacciona con el gas halógeno y se vuelve a depositar en el filamento.
Las lámparas halógenas son una buena opción para aplicaciones de espectroscopía en los sectores agroalimentario o médico, ya que tienen una distribución espectral continua desde la luz visible hasta la infrarroja, que normalmente abarca desde 400 nm hasta 2500 nm. Puede consultar las características de la fuente halógena de Pyroistech en este enlace.
Por otro lado, las lámparas de xenón, que son lámparas de descarga de gas, cubren un rango de longitud de onda similar (0,2 – 2,0 µm), aunque dependiendo del tipo, su espectro en el infrarrojo no es muy suave (presenta picos).
• LEDs: son básicamente una unión PN (semiconductor con un área dopada positivamente, P, y un área dopada negativamente, N) que emite luz por emisión espontánea cuando por él circula corriente eléctrica. Los LEDs que emiten en el NIR emplean materiales como AlGaAs (arseniuro de aluminio y galio) o InGaAsP (fosfuro de arseniuro de indio y galio) como material semiconductor. También existen LEDs en el NIR basados en conversión de fósforo, es decir, LEDs que emiten luz ultravioleta o azul, pero con un recubrimiento de fósforo que absorbe estas longitudes de onda y emite luz en el NIR.
Las principales ventajas de las fuentes LED son su alta estabilidad espectral, larga vida útil, bajo consumo de energía eléctrica y tamaño compacto. Se emplean para estudiar la fotodegradación (por ejemplo, en el caso de los lípidos) o para aplicaciones de fotoquímica, entre otras. Puede consultar la gama de fuentes LED de Pyroistech en el NIR en este enlace. Recientemente hemos incorporado nuevas longitudes de onda en el rango de 1100 nm – 1650 nm.
• Láseres: también son una unión PN pero en este caso hay dos espejos y una guía de ondas entre las secciones P y N. Los dos espejos son selectivos en longitud de onda, lo que conduce a que el láser tenga un espectro estrecho, y la guía de ondas restringe la dirección en la que se puede propagar la luz. El principal fenómeno detrás del funcionamiento del láser es la emisión estimulada (“láser” significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación), que se logra recirculando la luz en la cavidad creada por los dos espejos.
Existen diferentes tipos de láseres, pero en lo que respecta al infrarrojo, dos de los más importantes son los láseres de cascada cuántica (quantum cascade lasers) y los láseres de estado sólido (solid-state lasers). Los láseres de cascada cuántica suelen trabajar en el infrarrojo medio, y una de sus principales aplicaciones es la detección de gases o contaminantes. Los láseres de estado sólido funcionan en el rango de 100 nm a 2400 nm y tienen aplicaciones como la generación de pulsos o el diagnóstico de enfermedades basado en la reflectancia difusa.
• SLDs: son unión PN con espejos como el láser, pero los espejos están inclinados, por lo que la emisión espontánea amplificada es el efecto dominante en su funcionamiento. Este fenómeno también se conoce como superluminiscencia, de ahí el nombre de LED superluminiscente (abreviado como SLD o SLED). Los SLD tienen una alta coherencia espacial, lo que implica una fuerte direccionalidad del haz de luz, y en su mayoría trabajan en el NIR.
Las fuentes SLD se emplean en aplicaciones muy exigentes en las que se utiliza fibra monomodo, incluidas el testeo de fibra óptica, sensores de fibra, tomografía de coherencia óptica (OCT) o giroscopios de fibra óptica (FOG). Puede consultar las fuentes Pyroistech SLD en este enlace. Ofrecemos la posibilidad de combinar hasta 8 SLD en una fuente para obtener el espectro deseado.
• Globar: el término “globar” proviene de la combinación de las palabras en inglés “glow” (brillar) y “bar” (barra). Recibe este nombre porque consiste en una varilla (una barra), generalmente de carburo de silicio, que se calienta a temperaturas entre 1000°C y 1650°C, y emite luz (brilla) a través de la interacción con un filtro de interferencia aguas abajo. Para alcanzar las temperaturas requeridas se suele emplear un calentador de hilo de nicromo (ofrece una resistencia muy alta, por lo que genera una gran cantidad de calor cuando pasa corriente por él).
Los globars son una fuente ideal para la espectroscopia de infrarrojo medio, ya que pueden cubrir desde 1 µm hasta 50 µm. Las principales aplicaciones incluyen espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier, espectroscopia infrarroja y calentamiento.
Escrito por J.J. Imas
Bibliografía
[2] What is a Globar? AZO Optics
[3] What is a phosphor? Lumileds
[4] Quantum Cascade Lasers RP Photonics
[5] SLD lighting principles unveiled Pyroistech
[6] Superluminescent diodes (SLD/SLED) applications Pyroistech