A radiação electromagnética/luz - Diversidade de tópicos

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1 A radiação electromagnética/luz - Diversidade de tópicos A natureza da radiação Interacção com a matéria (e c/ os tecidos biol., Espectrometria) Interferência, coerência,... Óptica geométrica, sistemas ópticos, aberrações... Fontes de radiação Fotometria/Radiometria Detectores de radiação... Electromagnetic Spectrum ArF 193 nm KrF 248 nm XeCl 308 nm XeF 351nm Argon nm Green HeNe 543 nm HeNe 632 nm Diode 680 nm Nd:Yag 1064 nm CO 2 10,600 nm Ultraviolet Visible Infrared 400 nm 750 nm Not to Scale 1

2 Figure 2.17 (a) General block diagram of an optical instrument. (b) Highest efficiency is obtained by using an intense lamp, lenses to gather and focus the light on the sample in the cuvette, and a sensitive detector. (c) Solid-state lamps and detectors may simplify the system. 2

3 Figure 2.18 Spectral characteristics of sources, filters, detectors, and combinations thereof (a) Light sources, Tungsten (W) at 3000 K has a broad spectral output. At 2000 K, output is lower at all wavelengths and peak output shifts to longer wavelengths. Light-emitting diodes yield a narrow spectral output with GaAs in the infrared, GaP in the red, and GaAsP in the green. Monochromatic outputs from common lasers are shown by dashed lines: Ar, 515 nm; HeNe, 633 nm; ruby, 693 nm; Nd, 1064 nm; CO 2 (notshown), nm. (b) Filters. A Corning 5-65 glass filter passes a blue wavelength band. A Kodak 87 gelatin filter passes infrared and blocks visible wavelengths. Germanium lenses pass long wavelengths that cannot be passed by glass. Hemoglobin Hb and oxyhemoglobin HbO pass equally at 805 nm and have maximal difference at 660 nm. (c) Detectors. The S4 response is a typical phototube response. The eye has a relatively narrow response, with colors indicated by VBGYOR. CdS plus a filter has a response that closely matches that of the eye. Si p-n junctions are widely used. PbS is a sensitive infrared detector. InSb is useful in far infrared. Note: These are only relative responses. Peak responses of different detectors differ by 107. (d) Combination. Indicated curves from (a), (b), and (c) are multiplied at each wavelength to yield (d), which shows how well source, filter, and detector are matched. (e) Photon energy: If it is less than 1 ev, it is too weak to cause current flow in Si p-n junctions. Curva fotópica 1 resposta espectral do olho humano normalizada comprimento de onda (nm) 3

4 Grandezas radiométricas e fotométricas Quantidade radiométrica Símbolo Unidades Quantidade fotométrica Símbolo Unidades Fluxo radiante φ watt Fluxo luminoso φ ν lumen (lm) Intensidade radiante I wsr -1 Intensidade luminosa I ν lumen/sr = candela (cd) Irradiância E Wm -2 Iluminância E ν lumen/m 2 = lux (lx) Radiância L W.m -2 sr -1 Luminância L ν lm.m -2.sr -1 = cd/m 2 Para 555 nm, 1W=683 lm=683 lx.m2, donde 1 lx*seg = nj/cm2 Questão: Como converter lux em watt? Em 1º lugar, Luz é uma medida de iluminância (ou fluxo luminoso por unidade de área) e, portanto a correnpondência é com irradiância (watt por unid. de área). A conversão pedida depende da cor. O Lux é uma unidade fotométrica, ou seja inclui a física do olho humano. O nossos olhos são mais sensíveis a certas cores um watt de luz amarela é absorvido mais eficientemente pelo olho do que 1 watt de luz azul. A conversão entre unidades fotométricas e unidades radiométricas é dada pelo seguinte: 1 W = 1 lm x 683 x V, onde V é a eficiência luminosa e é função do comprimento de onda A curva fotópica é para a visão normal e a estocópica é para olhos ajustados ao escuro Os nossos olhos, em visão diurna são mais eficientes para a luz amarela que é também o principal comprimento de onda emitido pelo sol evolução a funcionar! Relativamente à questão colocada, verificamos que uma iluminância de 1 lux é dada por 0,0029 W de luz verde (510 nm), 0,0015 de luz amarela (555 nm) e 0,015 de luz vermelha (650 nm) 4

5 Sensores de radiação Fotomultiplicadores - PMT Fotoresistências (LDR) Fotodíodos (PD) CCD (Charge Coupled Devices) SSPDA (Self Scanning PD arrays) PMT vácuo Figure 2.21 Photomultiplier An incoming photon strikes the photocathode and liberates an electron (photoelectric effect). This electron is accelerated toward the first dynode, which is 100 V more positive than the cathode. The impact liberates several electrons by secondary emission (typically 4 new electrons per incident electron). They are accelerated toward the second dynode, which is 100 V more positive than the first dynode, This electron multiplication continues until it reaches the anode, where currents of about 1 µa flow through R L. Há diversas geometrias possíveis e diversas estruturas de dínodos. Resposta espectral: O comprimento de onda superior depende do material do fotocátodo, o inferior depende do material da janela (vido ou quartzo). IV até UV é possível. Para RX usam-se em conjunção com câmaras de cintilação Corrente escura (não tem origem fotónica) Emissão termoiónica no cátodo e dínodos, - Ionização de gases residuais dentro do tubo 5

6 FOTORESISTÊNCIA (Light Dep. Res.) Fotoresistência A e α dependem do material, L Iluminância (densidade superficial de potência recebida) 6

7 FOTODÍODO Figure 2.22 Voltage-current characteristics of irradiated silicon p-n junction. For 0 irradiance, both forward and reverse characteristics are normal. For 1 mw/cm 2, open-circuit voltage is 600 µv and short-circuit current is 8 µa. Ver Hamamatsu Photodíode Technical Information (pdf nos documentos de apoio) 7

8 Os fotodíodos têm, normalmente, alta velocidade, baixo ruído e boa linearidade e precisão. O inconveniente dos fotodíodos é a sua insensibilidade a baixos níveis de luz. Sensibilidades típicas são da ordem de 1 µa por µw de luz incidente. Um fluxo de 1000 fotões/seg visível a olho nu (3.6 x 10-7 nj/seg para 555 nm (E=hν) causará uma corrente de 4x10-16 A quando focada num díodo PIN o que é totalmente indetectável comparada com a corrente de fuga e com o ruído. Os fotodíodos denominados de avalanche de área larga são bastante mais sensíveis e oferecem uma alternativa aos PMT em algumas aplicações. 8