UNIVERSIDAD NACIONAL AUT ONOMA DEMEXICO

POSGRADO EN CIENCIAS FISICAS

INSTITUTO DE CIENCIAS FISICAS

DISENO, CONSTRUCCION Y PRUEBADE FUENTES DE LUZ VISIBLE Y UV PULSADAS

EN NANOSEGUNDOS

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS (F ISICA)

PRESENTA:

SAYAB GARCES ESCAMILLA

DIRECTOR DE TESIS:

DR. ANTONIO MARCELO JUAREZ REYES

MIEMBRO DE COMITE TUTORAL:DR. EFRAIN RAFAEL CHAVEZ LOMELI

MIEMBRO DE COMITE TOTURAL:DR. LUIS FERNANDO MAGANA SOLIS

MEXICO D.F. 2011

Indice general

Indice general I

Adagio III

Agradecimientos V

I. INTRODUCCI ON 1I.a. Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1I.b. Contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

II. MARCO TE ORICO 5II.a. Conceptos de semiconductores: Diodo Emisor de Luz . . .. . . . . . . . . 5

II.a.1. Historia de el LED azul y de la doble heteroestructura . . . . . . . . 5II.a.2. Recombinacion raditiva y no radiativa . . . . . . . . . .. . . . . . . 8II.a.3. La union P-N en monouniones y en multiuniones . . . . .. . . . . . 15II.a.4. Efecto de las heterouniones sobre la resistencia del dispositivo . . . . 17

II.b. Conceptos de emision por Fluorescencia . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 21II.b.1. El fenomeno de la fluorescencia . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 21II.b.2. El diagrama de Jablonski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22II.b.3. Caracterısticas de la Fluorescencia . . . . . . . . . . .. . . . . . . 24

III. INSTRUMENTACI ON Y M ETODOS EXPERIMENTALES 25III.a. LED’s y circuitos de operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 25III.b. Optimizacion temporal de la Ledosol V . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 29

III.b.1. Simulacion Numerica del COR . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 29III.b.2. Observacion del pulso ultracorto devuelto por elCOR . . . . . . . . 31

III.c. Sistemas de observacion y medicion de los pulsos . .. . . . . . . . . . . . 35III.c.1. Arreglo experimental para observar el pulso de luzAzul . . . . . . . 35III.c.2. Arreglo para observar el pulso de luz UV . . . . . . . . . .. . . . . 36III.c.3. Arreglo para observar los espectros del led UV y de C1 . . . . . . . 37

III.d. Preparacion de la solucion de Cumarina 1 . . . . . . . . .. . . . . . . . . 39

I

IV. RESULTADOS 41IV.a. Pulsos ultracortos de nanosegundos . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 41

IV.a.1. Observacion de los pulsos de la fuente Ledosol V . . .. . . . . . . 41IV.a.2. Observacion de los pulsos de la fuente Ledosol UV . .. . . . . . . 44

IV.b. Espectros de emision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 49IV.b.1. Modo Continuo y Modo Pulsado del led UV . . . . . . . . . . . .. 50IV.b.2. Modo Monocromatizado del led UV . . . . . . . . . . . . . . . . .51IV.b.3. Modos Continuo, Monocromatizado y Pulsado de C1 . . .. . . . . 52

IV.c. Analisis y discusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 53IV.c.1. Fuente pulsada Ledesol V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54IV.c.2. Fuente pulsada Ledesol UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55IV.c.3 Emision y espectros del led UV y de la C1 . . . . . . . . . . . .. . 56

V. CONCLUSIONES 59

Bibliograf ıa 62

II

Adagio

”... Los jovenes de Americase ponen la camisa al codo,

hunden las manos en la masa,y la levantan con la levadura del sudor.

Entienden que se imita demasiado,y que la salvacion esta en crear.

Crear es la palabra de pase de esta generacion.El vino, de platano; y si sale agrıo,

¡es nuestro vino! ... ”

Nuestra America, Jose Martı

III

Agradecimientos

Los nombres de las personas participantes y cercanas a este proyecto son variados, desdelos que contribuyeron a su realizacion adentro del laboratorio como los que contribuyerondesde afuera. Nombres como Armando y Ricardo Bustos, Gerardo Ruiz, Juan Carlos Pove-da, en lo que concierne adentro del laboratorio, y algunos deestos tambien afuera. Otros masafuera del laboratorio son Juan Carlos Rodrıguez, Angel Martınez, Sac Nikte, Jose Samuel,Veronica Vicuna, Jose Alonso, Mauricio Torres, Carlos Pineda, Claudia Hernandez, acoom-panandome en bailes, charlas y tertulias.

Ademas, contando con la deferencia de mis amigos de la carrera Hiram Hernandez,Tzolkin Garduno, Gerardo Martınez, Rodolfo Juarez, Orlando Valdes, Felipe Suarez, AngelGarcıa, Javier Rodrıguez, Alicia Ayala y Jose Francisco. Ası como mis amigos del voleibolMarıa Antonieta Sanchez y Cesar Davila.

Este trabajo conto con apoyo financero de la DGAPA-UNAM a partir del proyecto PA-PIIT IN113910.

V

I. INTRODUCCI ON

I.a. Motivaci on

Actualmente, existe la necesidad de metodos y tecnicas experimentales, relacionadascon el uso de pulsos cortos de luz, en una gran diversidad de areas de la investigacion basicay de las ingenierias. Las fuentes de luz pulsada de alta y bajaintensidad, ası como de ele-vadas tasas de repeticion, resuelven algunas de estas necesidades. Por ejemplo, se puedenusar fuentes pulsadas de luz para mejorar y caracterizar detectores de luz [13] ası comofuentes de excitacion debil para llevar a cabo el metodo de conteo fotonico individual [7].Asimismo, es posible usar fuentes pulsadas de luz para realizar estudios no invasivos encelulas dopadas con marcadores luminiscentes para contarglobulos rojos en la sangre. Confuentes pulsadas de luz es posible realizar estudios dependientes del tiempo tal como la di-fusion libre de compuestos en soluciones usando la fluorescencia de las moleculas debidaal efecto Foster (transferencia no radiativa de energıa entre moleculas) [12], estudios deltransporte electronico, ionico y de la ionizacion efectiva en una muestra gaseosa al repro-ducir el metodo pulsado de Townsend [8], asi como estudios del fenomeno de prerupturaen las descargas electricas [21] por mencionar solo algunas de las muchas aplicaciones queencuentran las fuentes pulsadas de luz.

Algunas alternativas de instrumentacion para satisfacerlas necesidades planteadas an-teriormente son los laseres pulsados o modulados externamente con un choper. De igualmanera, para estos usos en el laboratorio o en usos practicos se han empleado en el pasa-do las fuentes de luz basadas en ciclos autosostenidos de carga y descarga o relajacion enplasmas. Sin embargo, los altos costos, que oscilan entre los 40,000 USD, de estas fuentes,ası como las consideraciones de espacio, consumo de energ´ıa y seguridad para el usuariopueden dificultar la implementacion de dichas fuentes en laboratorios pequenos.

El presente trabajo de tesis corresponde al area de Instrumentacion y de la Fısica ex-perimental del Posgrado en Ciencias Fısicas de la UNAM. Este trabajo tiene como objeti-vo, por un lado, lograr el funcionamiento y evidenciar posibles aplicaciones de un par defuentes pulsadas de luz en el rango de emision del visible y del ultravioleta. Por otro lado, elproyecto pretende proporcionar una herramienta para resolver la necesidad de producir luzpulsada en el orden de nanosegundos y emplearla en diversos experimentos que se realizanen el grupo experimental de Fısica Atomica y Molecular yOptica (FAMyO) del Instituto deCiencias Fısicas (ICF), entidad UNAM en el campus Cuernavaca, Morelos.

Entre otras caracerısticas, las lamparas pulsadas que sedesarrollaron en este trabajo

1

pueden generar pulsos de luz a frecuencias elevadas del orden de kilohertz. Ademas, de-beran ser portatiles o de facil transporte ası como tambien procurar los controles necesariosy elementos de seguridad para ser empleados de manera confiable y simple por el personaldel laboratorio FAMyO.

El mayor reto de este proyecto es el de utilizar los recursos con los que se cuentan enel laboratorio y ajustarse a un presupuesto bajo. Por tanto,los disenos, la construccion y laspruebas de las lamparas se disenaron e implementaron con la instrumentacion estandar conla que cuenta el laboratorio FAMyO.

I.b. Contenido

El siguiente capıtulo, capıtulo (I I), trata a grandes rasgos la teorıa de los dispositivosemisores de luz con base en los semiconductores. Dentro de este resumen se procura unmayor enfasis a los dispositivos de mas trascendencia y demayor vanguardia como losson los diodos emisores de luz hechos de pelıculas delgadasde GaN y AlGaN. Tambiense desarrolla un resumen correspondiente a la teorıa de la excitacion de una molecula. Enparticular se mencionan las caracterısticas primordiales de la emision por fluorescencia.

En el capıtulo (III ) se presentan los aspectos experimentales del diseno, la construcciony las pruebas de las fuentes pulsadas de luz. En particular, se describen los circuitos de op-eracion y las componentes empleadas para la construcciony el funcionamiento del par defuentes pulsadas que son motivo de esta tesis, ası como los principios fundamentales de sufuncionamiento. En esa seccion se presentan los datos tecnicos de los diodos emisores deluz (LED’s) por pulsar: un led azul y otro led Ultravioleta (led UV). En este mismo capıtulose reporta el metodo experimental llevado a cabo para optimizar la duracion del pulso ul-tracorto de una de las lamparas pulsadas de luz LED. Para ilustrar un uso potencial de lafuente pulsada de UV se llevan a cabo mediciones de fluorescencia en un tinte organico, lla-mado Cumarina. En la seccion (III.c ) se muestran los arreglos experimentales y los distin-tos sistemas de medicion utilizados en las observaciones.En la seccion (III.d. ) se describebrevemente la naturaleza de la molecula de cumarina 460 (C1), ası como la preparacion dela solucion en etanol. La solucion de C1 nos proporciona una manera de demostrar el usode una de las fuentes pulsadas desarrolladas en el presente trabajo de maestrıa.

En el capıtulo (IV ) se presentan los resultados obtenidos tanto para las las fuentes con-struıdas (sus caracterısticas y su respuesta espectral), como para las emisiones por fluores-cencia de la C1. Este capıtulo comprende tres secciones lascuales resumen el trabajo hechopara la obtencion y la observacion de los pulsos de nanosegundos, los espectros de emisionobtenidos del led UV y de la C1. Por otro lado, y muy a proposito de agotar la versatilidaddel led UV, los espectros de emision, tanto del mismo led UV como de la C1, se consiguenen tres modos distintos. Estos modos de operacion son: el modo Continuo (MC), el modoMonocromatizado (MM) y el modo Pulsado (MP). En una seccionsiguiente se presenta elanalisis de los resultados y, tambien, una breve discusi´on acerca de la duracion de los pulsosen su FWHM alcanzada.

Por ultimo, en el capıtulo (V) se hace un recuento general de los logros alcanzados con

2

las fuentes Ledosol V y Ledosl UV, de las limitaciones de las mismas y algunas sugerenciaspara reducir la duracion en su FWHM del pulso ultracorto para trabajos futuros.

3

4

II. MARCO TE ORICO

II.a. Conceptos de semiconductores: Diodo Emisor de Luz

Los LED en la longitud de onda del azul y el Ultravioleta han sido desarrollados entiempos relativamente recientes. Su disponibliidad a nivel comercial ha revolucionado di-versos campos, tanto en comunicaciones y entretenimiento (Blue ray discs) como en la in-vestigacion. Dada la importancia e impacto de estas fuentes es conveniente hacer un breverepaso historico del desarrollo de estas fuentes novedosas de luz.

II.a.1. Historia de el LED azul y del UV

A finales de los anos 60’s la Corporacion de Radio de los Estados Unidos Americanos(RCA) fue una de las pioneras en ensamblar televisores a color para desplegar imagenes conel uso de tubos de rayos catodicos (CRT) con tres tipos de haces. Fue James Tietjen quien,siendo director de la Division de Investigacion de Materiales en Princeton, Nueva Jersey,preveıa que para formar una imagen a color completa la pantalla debıa contener pixelesrojos, verdes y azules. Esta prevision tenıa fundamento en el conocimiento de la existenciade la tecnologıa del GaAsP para los LED’s rojos y de tecnologıa del GaP:N para los LED’sverdes. Por lo que restaba desarrollar lo propio para el LED de azul. Y, entonces, obteneruna TV a colores con base en LED’s.

En el ano de 1968 Tietjen recluto a un joven en su grupo, PaulMaruska. El reto que sele impuso al joven era el de encontrar un metodo para crecerpelıculas delgadas de GaN,que segun Tietjen producirıa LED’s azules. Maruska fue reclutado porque tenıa experienciaen crecer pelıculas de GaAsP para producir LED’s rojos con la tecnica de aproximacionepitaxial en fase de vapor de metales halogenuros (MHVPE).

Los primeros trabajos que Paul Maruska realizo con GaN fueron consecuencia de unarecopilacion de la bibliografıa, y de su concienzudo estudio, que comprendıa los trabajosen GaN de entre 1930 a 1940. En esos anos el GaN se extraıa en forma de polvo al hacerreaccionar a metal de galio liquido con amoniaco a temperaturas elevadas. Como sustra-to para sus depositos Maruska eligio zafiro por sus propiedades de dureza y por no tenerreaccion alguna con el amoniaco. El joven Maruska obtuvo resultados desastrozos mientrasiniciaba el crecimiento al vacıo de sus pelıculas de GaN. Aunque, las causas habıan sidoun mal entendido acerca de la descomposicion del compuesto(a 600C). Lo que Maruskaobtuvo durante estos primeros experimentos fueron pelıculas policristalinas de GaN. No

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fue sino hasta 1969 que el joven descubrio las condiciones de la atmosfera idoneas. Lo queintrodujo en el horno (o camara al vacio) fue una atmosfera de amoniaco para favorecer elcrecimiento y no la descomposicion del compuesto. Entonces, Maruska fijo la temperaturaa la temperatura tıpica usada para crecer GaAs (850C). Lo que encontro para su sorpresafue que el zafiro parecıa sin recubrimiento pero mas bien lapelıcula de GaN habıa dadoun acabado especular a la superficie. Sin pensarlo llevo la muestra al centro de analisis delRCA para atacarlo con luz. El patron de Laue revelo que el deposito del compuesto sobrezafiro habıa sido sin lugar a dudas la primer pelıcula delgada de monocrsital de GaN.

Despues del exito rotundo obtenido Maruska resolvio quela pelıculas eran de tipo N sinhaber sido dopadas para tal efecto. A partir de esto Maruska se dio a la tarea de realizar unaunion P-N. Donde el zinc parecıa ser el dopante tipo P o fuente de aceptores porr haberselogrado en compuestos como GaAs y GaP. Sin embargo, incluso para altas concetracionesde Zn pesado no se lograron conductores tipo P.

Fue hasta el regreso de Jacques Pankove, despues de un ano sabatico dedicado a escribirsu mas celebre libro, a los laboratorios de la RCA cuando en enero de 1970 se entero ytambien se intereso de las pelıculas delgadas de GaN. Lo que le llevo a realizar estudios defotolumniscencia y absorcion optica de la pelıcula de GaN. Consecuentemente en el veranode 1971 la RCA anuncio el primer ejemplo de electroluminiscencia a partir del compuestoGaN. El dispositivo consistıa de una capa aislada de Zn dopado y puesto en contacto condos superficies pruebas, una luz azul centrada en 475nm fue observada.

Por su parte, el equipo de la RCA suponıa que el magnesio (Mg)era un mejor dopantetipo P que el zinc. Por lo que se dieron a la tarea de crecer pel´ıculas delgadas de GaNdopadas con Mg utilizando la tecnica MHVPE. Fue hasta 1972que, usando esta tecnica,lograron obtener emisiones de luz azul y de luz violeta con unmaximo central en 430nm.Cabe resaltar que estas pelıculas de GaN, incluso las Mg dopadas, no presentan conduc-tividad tipo P, por lo que la luminiscencia podrıa estar mediada por la inyeccion de cargasminoritarias o por la ionizacion por impacto en las regiones aisladas de campo electricoelevado en la pelıcula. Los protagosnistas de estas aplicaciones, Pankove y el equipo RCA,ofrecieron un modelo para la operacion de estos dispositivos con base en la ionizacion porimpacto y tunelaje tipo Fowler-Nordheim ([14], pag.17), yaque sus caracterısticas eranpracticemente independientes de la temperatura. Estas razones bastaron para que el mismoTietjen, iniciador de tan novedosos trabajos, concluyera por terminar la investigacion de lasfuentes de luz ineficientes.

Los trabajos de Pankove y sus colaboradores cesaron virtualmente, y casi desaparecieron,despues de haberse esforzado en las investigaciones para ganar la carrera de los LED’sazules a partir del compuesto GaN. Fue hasta 1989 que Isamu Akasaki y colaboradores, enNagoya, Japon, los que se negaban a renunciar y los que mostraron a la ciencia y a la inge-nieria el primer material verdadero dopado tipo P. Ademas,observaron la conductividad tipoP a partir del compuesto GaN. Los estados aceptores del Mg se activaron con la incidenciade un haz de electrones sobre la muestra. Aunque, con el transcurso fructıfero de estos es-tudios, se evidencio la posibilidad de que la activacion de estos estados era posible con tansolo llevar a cabo un rehorneado a elevada temperatura pos-crecimiento. Los estudios con-

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tinuaron con tales resultados positivos que fue posible la elaboracion de superredes dopadascon la activacion de estados aceptores profundos. Estos avances en el dopado P abrieron elcamino a uniones eficientes P-N con tal de obtener conponentes tales como LED’s y diodoslaser. Hoy en dıa, la tecnica de dopamiento de Mg sobre el compuesto GaN es la base detodos los LED’s y diodos laser con base en nitruros.

Gracias a los logros de obtener una fuente de luz eficiente y, mas en partıcular, deldopado tipo P, se obtuvo la primera homounion LED P-N. Estahomounion fue reportada porAkasaki en 1992 y constituyo a un LED que emitıa luz en un ancho de banda amplio yendodel utravioleta al azul. Este componente, resultado de una carrera a contrareloj iniciada porel joven Paul Maruska y su ocurrencia de colocar una placa de zafiro como sustrato, fuepresentado en las conferencias del gremio ese mismo ano lascuales se llevaron a cabo enKaruizawa, Japon.

Existe un nombre demasiado cercano a lo que es la patente y la produccion de losLED’s con base en nitruros (GaN). Dicho nombre corresponde ala corporacion japone-sa de Industrias Quımicas Nichia. La cual en un inicio reunio a un equipo de investigadorestales como Shuji Nakamura y Takashi Mukai quienes contribuyeron al desarrollo del crec-imiento del compuesto GaN, de los LED’s y de laseres para su comerciizacion. Entre estascontribuciones destaca la invecion en 1995 de los primerosLED’s verde y azul con dobleheteroestructura. Estos LED’s rebasaron por un factor de diez la eficiencia del logrado y ex-hibido por Akasaki en el ano de 1992. Tambien, para 1996 suscontribuciones rebasaron lasexpectativas, pues mostraron un verdadero laser con base enlos compuestos GaInN/GaNy sus heteroestructuras que emitıa luz azul, tanto en modo pulsado como en onda continua(CW, por sus siglas en ingles).

Las investigaciones sucedieron muy a prisa y mientras iniciaba el ano de 1990, anoen el que Nakamura entro a la batalla de los dispositivos de GaN siendo un trabajadormas en la corporacion Nichia (contando con 36 anos de edad), con un titulo de ingenierosin Ph.D. probable y sin publicaciones ni conferencias plausibles. A finales de ese mismoano Nakamura se habıa convertido en Profesor de la Univesidad de California en SantaBarbara y un consultor de la Corporacion de Iluminacion Cree, fiera competidora de lamisma Nichia.

Para estos anos los avances y el conocimientos de nuevas tecnicas de deposito y denuevos materiales dopantes era abrumador. Por ejemplo, el material semiconductor conbase en nitruros del tipo GaInN se utilizaron para el desarrollo de LED’s blancos. Sin em-bargo, la convergencia de estas tenicas y de estos nuevos depositos varian, desde los LED’sblancos con base en convertidores de longitud de onda basados en fosforo hasta otros LED’sblancos con base en convertidores de longitud de onda hechosde materiales semiconduc-tores. Por ende, las expectativas eran positivas y de mayor alcance para los LED’s blancosya que se esperaba que estos tuviesen una mayor capacidad para entregar altas luminosi-dades comparadas con el resto de las fuentes de luz como lo sonlas incandescentes y las defluorescencia. Para ese entonces las fuentes de luz convencionales alcanzaban una eficiencialuminosa de 15-100 lm/W, mientras que algunos calculos y posibles mejorıas en las tecnicasy los dopantes aseguraban que los LED’s blancos podrıan tener una eficiencia luminosa por

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encima de 300 lm/W.

II.a.2. Recombinacion raditiva y no radiativa

Los electrones y huecos en un semiconductor se recombinan tanto radiativamente, encompania de un foton, como sin radiar [14]. Para la construccion de un dispositivo emisoreficiente, se espera que sea el primero de este par de procesosposibles el preferido ya quela recombinacion sin radiar jamas puede reducirse a cero.Llevar al maximo los procesosde recombinacion radiativos y a un mınimo los procesos no radiativos puede ser logrado dediferentes maneras. A continuacion se mencionan algunos procesos por los cuales se obtieneradiacion como resultado del proceso de recombinacion, ası como tambien los procesos queno involucran radiacion en la recombinacion.

Cuantitativamente la radiacion obtenida despues de la recombinacion de un par elec-tron-hueco depende de las concentraciones mismas de estosportadores de carga. Cualquiersemiconductor dopado o no dopado tiene dos tipos de cargas libres: los electrones y los hue-cos. En condiciones de equilibrio termico el producto de las concentraciones de electronesy huecos es constante, o sea,

n0 p0 = n2i , (1)

donden0 y p0 son las concentraciones de electrones y huecos, yni es la concentracionde carga intrınseca. La ecuacion (1) es conocida como la ley de accion de masas.

El exceso de cargas en un semiconductor puede ser producido por la absorcion de luz opor la inyeccion de corriente. La concentracion total de carga esta dada por,

n = n0+∆n y p= p0 +∆p, (2)

donde∆n y ∆p son el exceso de la concentracion de electrones y huecos, respectiva-mente.

El diagrama de bandas de un semiconductor con electrones y huecos se muestra enla figura (1). Lo que se quiere conocer es la tasa de cambio a la cual la concentracionde carga decrece. Denotemos por R la tasa de cambio de recombinacion. Considerese unelectron libre en la banda de conduccion. La probabilidadde que un electron se recombinecon un hueco es proporcional a la concentracion de huecos. Pero, tambien, el numero derecombinaciones sera proporcional a la concentracion deelectrones, como se ilustra enla figura (1). De lo anterior se puede inferir que la tasa de cambio de recombinacion esproporcional al producto de las concentraciones de electrones y de huecos (R ∝ n p). Ası,la tasa de cambio de recombinacion por unidad de tiempo por unidad de volumen puedeescribirse como

R= −dndt

= −dpdt

= Bnp, (3)

8

E

E V

C

Figura 1: Recombinacion del par electron-hueco.El numero de recombinaciones por unidad detiempo por unidad de volumen es proporcional al producto de las concentraciones de electrones y dehuecos,R∝ np.

donde B es una constante de proporcionalidad tipicamente del orden de entre 10−11 y10−9 cm3/s. La ecuacion (3) se le conoce con el nombre de ecuacion de tasa de cambiobimolecular y la constante B es el coeficiente bimolecular derecombinacion.

Ahora consideremos a un semiconductor sujeto a fotoexcitacion. Las concentracionesen equilibrio y excedentes de electrones y huecos sonn0, p0, ∆n y ∆p, respectivamente.Desde el momento en que los electrones y los huecos son producidos y se aniquilan (por re-combinacion) en pares, el estado estacionario de las concentraciones de electrones y huecosresultan ser ([14], pag.29),

∆n(t) = ∆p(t). (4)

Usando la ecuacion (3), la tasa de cambio de recombinacionesta dada por

R= B [n0+∆n(t)] [p0+∆p(t)]. (5)

Para el caso debajo nivel de excitacion, la concentracion de cargas producidas porfotoexcitacion es mucho menor que la concentracion de cargas mayoritarias, o sea,∆n ≪(n0+ p0). Y tomando en cuenta nuestra condicion de∆n(t) = ∆p(t) obtenemos

R = Bn2i +B(n0+ p0)∆n(t) (6)

= R0 +Rexceso.

El primer sumando del lado derecho puede identificarse como la tasa de cambio de re-combinacion en equilibrio (R0) y el segundo termino como la tasa de recombinacion exce-dente (Rexceso).

La concentracion de carga dependiente del tiempo puede sercalculada utilizando laecuacion de tasa de cambio siguiente:

dn(t)dt

= G−R= (G0+Gexceso)− (R0+Rexceso) (7)

dondeG0 y R0 son las tasas de cambio en equilibrio de produccion y recombinacion,respectivamente.

9

Pul

so d

e ex

cita

ción

d

e lu

z Luz encendida

t

Luz apagada

Con

cent

raci

ón

de

Hue

cos

t

p0

t=0

τ∆p

∆p(t) = ∆p e−t/τ

Con

cent

raci

ón

de

Ele

ctro

nes

tn0

τ

∆n∆n(t) = ∆n e−t/τ

Figura 2: Concentraciones de carga como funcion del tiempo antes, durante y despues de laexcitacion de un pulso de luz.El semiconductor se asume de tipo P por lo quep0 ≫ n0. Loselectrones y los huecos son generados en pares, o sea,∆p = ∆n. Ademas, se tiene que∆n ≪ p0

para la aproximacion de bajo nivel de excitacion. En la pr´actica en la mayoria de los casos sucedeque la concentracion de cargas minoritarias en equilibrioes demasiado pequena por lo que puedeconsiderarse quen0 ≪ ∆n.

Asumamos ahora que el semiconductor ha sido iluminado y, porconsiguiente, que lascargas excedentes se han producido. Al tiempot = 0, la iluminacion se concluye (o sea,Gexceso= 0) como se indica en la figura (2). La tasa de cambio de recombinacion puede sercalculada utilizando las ecuaciones (6) y (7), y ademasG0 = R0. Resultando,

ddt

∆n(t) = −B(n0 + p0)∆n(t). (8)

Cuya solucion es,

∆n(t) = ∆n0 e−t/τ (9)

donde∆n0 = ∆n(t = 0) y τ es la vida media de carga igual a,

τ =1

B(n0+ p0). (10)

Para semiconductores con un tipo de dopaje especıfico el resultado de (10) implica

10

τn =1

B p0=

1B NA

para semiconductores tipo P (11)

y

τp =1

B n0=

1B ND

para semiconductores tipo N (12)

dondeτn y τp son las vidas medias de los electrones y huecos yNA y ND son las densi-dades de estados aceptores y dadores, respectivamente. Conel presente resultado es posiblesimplificar la ecuacion de tasa de cambio (8) para un semiconductor de tipo de conductivi-dad especıfico. Obteniendose lasecuaciones de tasa de cambio monomoluculares:

ddt

∆n(t) = −∆n(t)

τnpara semiconductores tipo P (13)

y

ddt

∆p(t) = −∆p(t)

τppara semiconductores tipo N (14)

Una vez que la fotoexcitacion ha concluido, la concentracion de carga minoritaria decaeexponencialmente con una constante de tiempo caracterıstica conocida como vida media decarga minoritariaτ. O sea, el tiempo medio entre la generacion y recombinacion de la cargaminoritaria.

Cabe recalcar que la concentacion de carga mayoritaria tambien decae a la misma tasaτ. Aunque solamente una pequena fraccion de carga mayoritaria desaparece por recombi-nacion. Ası, en el regimen del bajo nivel de excitacion eltiempo promedio que le lleva ala carga mayoritaria recombinarse es mucho mas prolongadoque la vida media de la cargaminoritaria.

Contrariamente, para el caso dealto nivel de excitacion la concentracion de carga fo-toproducida es mucho mas grande que la concentracion de carga en equilibrio (∆n >>(n0+ p0)). La ecuacion bimolecular de tasa de cambio (8) esta dada por:

dδn(t)dt

= − B ∆n2. (15)

Resolviendo esta ecuacion y utilizando la condicion inicial ∆n(0) = ∆n0 resulta:

∆n(t) =1

Bt+∆n−10

. (16)

Esta solucion muestra un decaemiento de carga diferente alexponecial en contraste conla aproximacion de baja densidad. Sin embargo, puede calcularse unaconstante de tiempoa partir de la pendiente del decaemiento a partir de la ecuacion:

τ = −∆n(t)d∆n(t)

dt

. (17)

11

De donde se obtiene una constante de tiempo igual a

τ = t +1

B∆n0. (18)

Ası, para el caso de un decaemiento no exponencial, la constante de tiempo cambia enel tiempo. La ecuacion (18) muestra que la vida media de la carga minoritaria crece con eltiempo. Para tiempo suficientemente largos, las condiciones para el regimen de bajo nivelde excitacion debieran alcanzarse y la constanteτ aproximarse al valor obtenida para bajadensidad.

Como se ha mencionado, en un evento de recombinacion radiativa, se emite un fotoncon una energıa igual a la brecha de energıa del semiconductor en cuestion, tal y como seilustra en la figura (3). A diferencia de lo que sucede duranteel fenomeno de recombinacionno radiativa. Durante la recombinacion no radiativa la energıa del electron es convertidaen energıa vibracional de los atomos en la red o latiz, es decir, la energıa de excitacionse transforma en fonones. Por lo anterior, la energıa que llevaba el electron se convierteen calor. Obviamente los eventos de recombinacion no radiativa son indeseables en loscomponentes emisores de luz.

Existen variados mecanismos fısicos por los cuales la recombinacion no radiativa ocurre.Los mas comunes tienen que ver con los defectos en la estructura del cristal. Algunos deestos defectos incluyen a los atomos externos indeseables, defectos nativos y dislocaciones.Para semiconductores compuestos los defectos nativos abarcan intersticios, vacancias, entreotros. Todos estos defectos tienen sus propias estructurasy niveles de energıa las cuales sondiferentes a las de los atomos por substitucion en los semiconductores. Los defectos inde-seables forman dentro de la brecha de energıa prohıbida del semiconductor, tıpicamente,uno o varios niveles de energıa.

Los niveles de energıa dentro de la brecha del semiconductor resultan ser lugares efi-cientes de recombinacion, sobre todo si el nivel de energıa se ubica cerca de la mitad dela brecha. La recombinacion de cargas a partir de unnivel trampase muestra esquematica-mente en la figura (4).

La tasa de cambio de recombinacion no radiativa a traves deun nivel profundo conenergıa de trampaET y con concentacionNT esta dada por:

RSR =p0∆n+n0∆p+∆n∆p

(NTνpσp)−1(n0+n1 +∆n)+(NTνnσn)−1(p0 + p1 +∆p)(19)

donde∆n = ∆p, νn y νp son las velocidades termicas de los electrones y huecos, yσn yσp son las secciones transversales de captura de los estados trampas. Los terminosn1 y p1

son las concentraciones de electrones y huecos cuando la energıa de Fermi esta localizadaen el estado trampa. Las cuales estan dadas por:

n1 = ni exp

(

ET −EFi

kT

)

y p1 = ni exp

(

EFi−ET

kT

)

(20)

dondeEFi es el nivel de Fermi en el semiconductor intrinseco.

12

+

Electron libre

hueco

_

’

Foton’

(a)

+

_

Vibraciones de la red(fonones)

(b)

Figura 3: Recombinacion radiativa y recombinacion sin radiar. (a) Recombinacion radiativa deun par electron-hueco acompanado de la emision de un foton con energıahν ∼ Eg. (b) Cuando larecombinacion no presenta emision de radiacion (recombinacion no radiativa) la energıa almacenadadesde la excitacion se disipa hacia la red semiconductora en forma de fonones.

La vida media por no radiacion de los electrones excedentespuede ser deducida por laecuacionRSR= ∆/τ. Por tanto,

1τ

=p0+n0 +∆n

(NTνpσp)−1(n0+n1 +∆n)+(NTνnσn)−1(p0 + p1+∆p)(21)

Ahora asumiremos que el material es un semiconductor de tipoP y se tomaran las difer-encias entre las cargas minoritarias y mayoritarias. Ası,los huecos son mayoria, o sea,p0 ≫ n0 y p0 ≫ p1. Si ademas asumimos una desviacion pequena del equilibrio, o sea,∆n≪ p0, entonces la vida media de la carga minoritaria esta dada por:

1τ

=1

τn0

= NT νn σn. (22)

Si los electrones fuesen las cargas mayoritarias, su vida media se obtendrıa de manera

13

~~

~~

E

E

E

τ

(a) (b) (c)

no rad no radτ τrad

C

Fi

V

ETFoton’

Figura 4: Recombinacion ilustrada con un diagrama de bandas.(a) No radiativa a traves de unaexcitacion hacia unestado profundo, (b) No radiativa via la recombinacion de Auger, (c) Recombi-nacion radiativa.

analoga, de donde:

1τ

=1

τp0

= NTνpσp. (23)

Este resultado muestra que la ecuacion de tasa de cambio de recombinacion (19) esta lim-itada por la tasa de cambio de captura de las cargas minoritarias. Este mismo resultado sug-iere que la captura de cargas mayoritarias es un evento muchomas probable que la capturade cargas minoritarias.

Otro mecanismo importante de recombinacion sin radiacion es la llamadarecombi-nacion Auger. En este proceso la energıa proporcionada por el distanciamiento entre elpar electron-hueco para recombinarse (∼ Eg), es disipada en la promocion de un electronlibre hacıa un estado superior dentro de la misma banda de conduccion, o de un huecopromovido hacia un esatado inferior dentro de la banda de valencia. Este prceso se ilustraesquematicamente en la figura (4.b). Las cargas excitadas aniveles superiores perderan sub-secuentemente la energıa por emision de multiples fonones hasta caer cerca del borde de labanda.

Las tasas de cambio de recombinacion por el proceso de Augerestan dadas por:

RAuger= Cpnp2 (24)

y

RAuger= Cnn2p. (25)

La recombinacion de Auger es proporcional al cuadrado de laconcentracion de carga

14

(ya seap2 o n2) ya que son necesarias dos cargas del mismo tipo (o dos huecoso doselectrones) para que la recombinacion suceda.

Durante la recombinacion Auger la energıa y el ımpetu deben de ser cantidades conser-vadas ([14], pag.40). Debido a las diferencias de las estructuras en las bandas de conducciony de valencia en los semiconductores los coeficientesCp y Cn son en general distintos.

Para el caso de que las cargas excedentes tengan mayor concentracion que las cargas enel equilibrio, o sea, el ya mencionado lımite de excitacion elevada, la ecuacion de la tasa decambio por recombinacion Auger se reduce a:

RAuger = (Cp+Cn)n3 = Cn3 (26)

donde C es el coeficiente de Auger.La recombinacion Auger reduce la eficiencia de luminiscencia en los semiconductores

solamente a muy alta excitacion o a una muy alta inyeccion de corriente. Este compor-tamiento se debe a la dependencia cubica con la concentracion de carga que presenta larecombinacion de Auger.

II.a.3. La uni on P-N en homouniones y en heterouniones

La distribucion de carga en la monounion P-N, o sea, uniones que consisten de solo unmaterial, depende de la constante de difusion de las cargas. La constante de difusion puedeser inferida a partir de la movilidad de cargas (µn,p) por la relacion de Einstein, la cual parasemiconductores no degenerados esta dada por

Dn =kTe

µn y Dp =kTe

µp (27)

Las cargas sumistradas sobre un semiconductor neutro, sin campo electrico externo apli-cado, se propagan por difusion. Cuando se inyectan cargas hacia una region con el tipo deconductividad opuesta, las cargas minoritarias se recombinan eventualmente. La distanciamedia a la cual una carga minoritaria se difunde antes de recombinarse es conocida comodistancia de difusion. Los electrones inyectados sobre regiones tipo P, en promedio, se di-funden una distanciaLn, antes de recombinarse con los huecos respectivos. La distancia dedifusion esta dada por

Ln =√

Dnτn y Lp =√

Dpτp (28)

dondeτn y τp son la vida media de los electrones y de los huecos, respectivamente. Al-gunos semiconductores alcanzan una longitud de difusion del orden de varios micrometros,tıpicamente. Por ejemplo, la distancia de difusion de loselectrones en un material GaAstipo P es≈ 15µm.

La distribucion de cargas en una union P-N sin polarizaci´on y con polarizacion directa seilustran en las figuras (5.a) y (5.b), respectivamente. Es notorio que las cargas minoritariasestan distribuidas a una distancia algo mayor que lo tıpico. Ademas, la concentracion decargas minoritarias decrece conforme estas se difunden hacia la region adyacente. Lo que

15

E

E

tipo P

tipo N

E

V

F

CDW

(a)

Ln

h

hτp

Lp

ν

ντn

(b)

WDH

h ντ

(c)

Figura 5: Monouni on P-N (a) sin polarizacion y (b) con polarizacion directa. (c) Multiuni onP-N con polarizacion directa. En la subfigura (a) se ilustran los niveles de energıa de la banda devalencia (EV), la banda de conduccion (EC) y la energıa de Fermi (EF ). Ademas, se delimita el anchomedio de difusion en la monounion (WD). Para la subfigura (b) se ilustra la difusion que sufren lascargas, las cuales difunden una distancia igual aLp y Ln en promedio, antes de recombinarse. En lasmultiuniones las cargas se confinan entre las barreras de heterounion. En la subfigura (c) se ilustra elancho medio (WDH ) de la heterounion y su vida media de recombinacıon (τ).

da lugar a una region grande en donde ocurra la recombinacion con fuertes cambios deconcentracion de carga minoritaria. Sin embargo, como mas adelante se concluira, grandesregiones de recombinacion en monouniones no beneficia la recombinacion radiativa.

Todos los diodos emisores de luz de alta intensidad no usan eldiseno de monounion sinoque, en vez de este, emplean heterouniones las cuales presentan ventajas sobre las primeras.Los dispositivos con heteroestructuras emplean dos tipos de semiconductores, uno de ellospresenta una region activa con una brecha pequena y el otropresenta una region de barreracon una brecha grande. Si la estructura se compone de dos regiones de barrera, o sea, dossemiconductores de brecha grande, entonces se obtiene un diseno de doble heteroestructura.

La ventaja de acumular portadores minoritarios en un region pequena con el uso de lasheteroestructuras se ilustra en la figura (5.c). Las cargas inyectadas hacia la region activa deuna doble heteroestructura estan confinadas a la region activa debido a las barreras. Entoncesel grueso de la region de recombinacion esta dado por el ancho de la region activa en vez depor la distancia de difusion.

El hecho anterior tiene sus consecuencias. Asumiendo que elancho de la region activa

16

electrodo tipo Pcapa Activa electrodo tipo N

LED basado en AlGaN

deposito de GaN

Zafiro

’

(a) (b)

Figura 6: Im agenes de los disenos logrados en el laboratorio de NICHIA corp. (a) Diagramade las capas de materiales depositados que componen a los ledNICHIA, el sustrato de zafiro esprimordial tal y como fue sugerido por el joven Paul Maruska.(b) Imagen SEM del electrodo tipo N(con estados dadores en mayor cuantia que los estados aceptores), Se puede observar el patron quese logra por efecto de la tecnica de deposito de evaporazi´on y las dimensiones nanometricas.

es mucho menor que la distancia tıpica de difusion, ya que las distancias de difusion puedenalcanzar valores desde 1 hasta 20µm, entonces las cargas en la region activa de la dobleheteroestructura tiene una mayor concetracion de carga que en las regiones grandes de unahomounion. Como se habıa deducido anteriormente, segunla ecuacion (8), resulta evidenteque, para altas concentraciones de cargas en la region activa, se aumenta la tasa de recombi-nacion raditaiva y, ademas, se disminuye la vida media de la recombinacion. Estas razonesson primordialmente por las cuales todos los LED’s de alta eficiencia se basan en disenos dedoble heteroestructura o pozos cuanticos (quantum wells). Uno de los diagramas de estosdisenos y su imagen SEM se muestran en las ilustraciones dela figura (6).

II.a.4. Efecto de las heterouniones sobre la resistencia del dispositivo

El confinamiento de las cargas en la region activa mejora la eficiencia de los LED’sgracias al empleo de las heteroestructuras ya que se evita considerablemente la difusion decargas minoritarias en distancias largas. Las heteroestructuras tambien pueden servir paraconfinar luz dentro de un ancho de banda como se hace en los LED’s de emision en el borde.En general los LED’s y laseres de semiconductor modernos tienen varias heterouniones, porejemplo: por capas de contacto, regiones activas y regionesde guıa de ondas. Sin embargo,las heteroestrucutras tienen multiples problemas asociados con las heterouniones.

Uno de los inconvenientes en el uso de las heteroestructurases la resistencia causadapor la hetero-interfase. El origen de la resistencia se ilustra en la figura (7.a). la cual mues-tra el diagrama de bandas de la heteroestructura. La heteroestructura se constituye de dossemiconductores de distintas brechas de energıa y se entiende que ambos lados de la he-

17

teroestructura son de conductividad tipo N. Las cargas del material con la brecha ancha sedifunden sobre el material de brecha angosta donde estas ocupan estados de banda de en-ergıa menor. Como resultado de la transferencia de los electrones se obtiene un dipolo elec-trostatico, que consiste de una capa de agotamiento cargada positivamente con donadoresionizados en el material de brecha ancha, y una capa de acumulacion de carga negativa en elmaterial de brecha angosta. La transferencia de carga para este caso se ilustra en la curva debandas de la figura (7.a). Las cargas transferidas desde un semiconductor a otro debe super-ar esta barrera ya sea por tuneleo o por emision termica sobre la barrera. La resistencia porheterouniones puede tener un efecto perjudicial en el desempeno del dispositivo, especial-mente en dispositivos de elevada potencia. La potencia disipada termicamente producidapor las resistencias de la heteroestructura aumentan la temperatura de la region activa y,consecuentemente, decrece la eficiencia radiativa.

Se ha demostrado que las discontinuidades de las bandas de heteroestructuras puedeser completamente eliminada a partir de la graduacion de lacomposcion quımica del semi-conductor en la vecindad de la heteroestructura. El diagrama de banda graduado de la het-eroestructura se muestra en la figura (7.b). En esta figura puede observarse que deja deexistir una abrupta interrupcion al flujo de elctrones en labanda de conduccion. Por lo quela resistencia adicional introducida por heteroestructuras abruptas puede puede ser comple-tamente eliminada con una graduacion parabolica.

La forma de la region graduada debe de ser parabolica por lasiguiente razon. El materialde brecha ancha presentara un agotamiento de cargas libresdebido a su transferencia haciael material de brecha angosta. Por lo que se obtiene una concentacion donadora de cargaen el material de brecha amplia. Asumiendo que la concentracion de donadores (ND) esconstante a lo largo de la heteroestructura la solucion a laecuacion de Poisson se somete alpotencial electrostatico

Φ =eND

2εx2. (29)

La ecuacion revela que el potencial tiene una forma parabolica. Para compensar el po-tencial de agotamiento, por su forma parabolica, la composicion de los semiconductores sevaria parabolicamente. Obteniendose un potencial practicamente plano.

A continuacion se presenta una regla de diseno aproximadapara la graduacion de laheteroestructura. Asumamos que la discontinuidad de la banda de conduccion de una het-erounion viene dada por∆EC y que la estructura esta uniformemente dopada con una con-centracionND. Supongamos que las cargas se han transferido al semiconductor de brechaangosta, por lo que se provoca una region de agotamiento de gruesoWD en el semiconduc-tor de brecha amplia. Si el potencial creado en la region de agotamiento es igual a∆EC/e,entonces los electrones ya no se van a transferir mas hacia el material de brecha angosta. Elgrueso de la region de agotamiento puede ser inferida desdela ecuacion (29) para resultar

WD =

√

2ε∆EC

e2ND(30)

18

Co

mp

osi

cio

n

Eg

Composicion

∆E

∆E

Eg

EE

ne

rgia

de brecha ampliaSemiconductorSemiconductor

de brecha delgada Interfaseabrupta

C

V

abrupta

’

’

’

(a)

Composicion

Eg

gE

E

graduada

Semiconductorde brecha amplia

Semiconductorde brecha delgada

Zonagraduada

C

VE

’

(b)

Figura 7: Diagrama de bandas de (a) una heterounion abrupta tipo N-N y (b) una heterounioncon graduacion de dos semiconductores con diferentes brechas de energıa. Se ilustra la mayorresistencia que opone la union abrupta en comparacion quela union con graduacion. La responsablede este comportamiento es la barrera electronica formada en la union abrupta.

Una interfase de heteroestructura debiera ser graduada en una distancia igual aWD paraminimizar la resistencia introducida por cambio abrupto dependiente de la heteroestructura.A pesar de que la ecuacion (30) es un resultado aproximado resulta una excelente guıapara el diseno del dispositivo emisor basado en heteroestructuras aunque es posible mejorarel calculo. Podrıa tomarse en cuenta el cambio del potencial debido a la acumulacion deelectrones en una capa del material con brecha angosta.

La tecnica de graduacion es util para cuanta heteroestructura exista en la compoenenteincluso para las heteroestructuras contiguas a la region activa. El efecto de la graduacionen una heteroestructura doble se muestra en la figura (8). La composicion y el diagrama debandas de una estructura sin graduacion se ilustra en la primera de estas imagenes, ver figura(8.a). Como se puede observar en ambas hetero-interfases las barreras son consecuenciade la transferencia de carga libre hacia la region activa. Es ası como bajo condiciones depolarizacion directa estas barreras incrementan la resistencia del dispositivo.

En la figura (8.b) se muestra el caso de las hetero-interfasesgraduadas. Para este ca-so se ilustran regiones graduadas linealmente cubriendo parcialmente la region activa. Eldiagrama de bandas ilustra la posibilidad de eliminar las barreras en las heterointerfasescon la aplicacion de la tenica de graduacion. Como puede observarse en la figura (8.b) una

19

EV

ECEFn

tipo N

Zona de barrera

Profundidad

x 1−x

Zona de barrera

x

’C

ompo

sici

on x

1−x

Zona activa

tipo P

pFE

GaAsAl Ga As Al Ga As

(a)

Zona graduada Zona graduada

GaAs

Profundidad

’C

ompo

sici

on x

Al Ga As Al Ga Asx 1−xx 1−x

EC

EV

tipo N

tipo P

(b)

Figura 8: Diagrama de bandas de (a) una heteroestructura doble y abrupta y (b) una het-eroestructura doble graduada.La interfase de la union abrupta cuya forma es de barrera-pozoopone mayor resistencia que la union graduada. La causa de este comportamiento es la presencia delas barreras formadas en las interfaces.

20

graduacion lineal produce pequenos altibajos opellizcosde la interfase entre las regionesgraduadas y no graduadas. Estos altibajos abruptos debieran desaparecer con la aplicacionde una graduacion parabolica.

En general el transporte de las cargas adentro del dispositivo semiconductor (a lo largode las heteroestructuras) debe de realizarse evitando la generacion de calor. Para evitar queel rendimiento de los dispositivos de potencia elevada, porejemplo, sea pobre y se veadisminuido por el calor generado dentro del dispositivo durante su funcionamiento.

Finalmente, resulta neecesario y deseable la regularidad de la red o lattice en todoslos dispositivos heteroestructurales. Ası como tambienen las estructuras graduadas con talde minimizar en numero las dislocaciones que actuan como centros de recombinacion noradiativa.

II.b. Conceptos de emision por Fluorescencia

Ası como los avances de la investigacion en las fuentes de luz innovaron el desarrollode los LED’s, los estudios espectroscopicos tambien lograron favorecerse. En partıcular losestudios de la fluorescencia emitida por las soluciones org´anicas. La razon es simple, puesgracias a la variada y amplia gama de fuentes de luz desarrolladas se han realizado tantosestudios de dichas soluciones organicas como fuentes de luz. A continuacion, a manera deresumir algunas de las propiedades que nos interesan en estetrabajo de tesis se extiendesobre la fluorescencia.

II.b.1. El fenomeno de la fluorescencia

La luminiscencia es la emision de luz de cualquier sustancia. Este fenomeno ocurre apartir de la excitacion de los estados electronicos del sistema o molecula. Dependiendo dela naturaleza del estado excitado la luminiscencia se manifiesta como: fluorescencia o comofosforescencia. A partir de la excitacion de un estado singulete los espines del electron en elorbital excitado y del segundo electron del orbital en el estado base estan apareados (con sig-nos opuestos). Por lo que el regreso al estado base es un transicion permitida entre espines.Este proceso se lleva acabo rapidamente con la emision de unfoton. Las tasas de cambio deemision de fluorescencia son tipicamente del orden de 108s−1 y consecuentemente lavidamediatıpica de fluorescencia es cercana a 10ns (10× 10−9 s).

La fluorescencia se manifiesta en moleculas aromaticas. Una de las moleculas mas co-munes y populares que se encuentran en abundancia es la quinina.Esta puede encontrarseen agua tonica.

Es interesante notar que el primer fluoroforo conocido (desde 1845 con los estudiosde Sir John Frederick William Herschel) llamado quinina propicio el desarrollo del primerespeectrofluorometro hacia la decada de 1950.

En la vida diaria se encuentran otros compuestos fluoroforos. Algunos resplandecien-do en tonos verdosos o roji-naranjas es el caso de la fluorescenıa o rodamina, ver figura(9), los cuales podemos encontrarlos en el anticongelante para el radiador de los carros.

21

POPOPQuinina

Acridina naranja

Rodamina B Piridina 1

’Fluorescenia

Figura 9: Estructura qu ımica de sustancias fluorescentes.Estas cinco sustancias tienen una basede solvente y se preparan en el laboratorio para producir lassoluciones resplandecientes.

Otras soluciones organicas sustitutas tambien son fluorescentes. Por ejemplo, el 1.4-bis(5-phenyloxazol-2-il)benceno (POPOP) se usa para conteo de centelleo, mientras que la acrdi-na naranja usualmente es util para pigmentar el DNA. La piridina I y la rodamina tambiense utilizan en laseres de colorante.

Los datos de la relacion espectral fluorescente generalmente se presenta como espectrode emision. El espectro de emision por fluorescencia es unagrafica de la intensidad defluorescencia contra la longitud de onda o el numero de onda.El espectro de emision variaampliamente y depende de la estructura quımica del fluoroforo y del solvente en el cual seprepara.

II.b.2. El diagrama de Jablonski

Una de las formas graficas de ilustrar los procesos que ocurren entre la absorcion y laemision de luz durante la fluorescencia es con el uso de el diagrama de Jablonski. Entresus usos esta la de ser un punto de partida para las observaciones de los fenomenos que sesuceden durante la absorcion y la emision de esta luz. Ası, las observaciones dan cuenta delos posibles procesos y de los estados excitados que intervienen en estos.

En la figura (10) se ilustra un diagrama de Jablonski tıpico.Los estados electronicosbase, primero y segundo estan senalados porS0, S1 y S2, respectivamente. En cada uno deestos niveles de energıa los fluoroforos pueden existir en algun estado vibracional indica-

22

dos por 0, 1 y 2, etc. Las transiciones entre estados estan indicadas con lıneas verticalesa proposito de indicar la naturaleza instantanea de la absorcion de la luz. La razon es quelas transiciones entre estados ocurren durante un tiempo aproximado de 10−15s. Tiemposverdaderamente cortos para tomar en cuenta el movimiento del nucleo (principio Frank-Condon).

00

1

2

S1

S2

Ahv AhvFhv

’

S

FLUORESCENCIA

’

INTERNA

ABSORCION

CONVERSION

Figura 10: Diagrama de Jablonski.Estados electronicos y vibracionales tipicamente observadosen la emision de fluorescencia.

Despues de que la luz es absorbida el fluoroforo usualmente es excitado a un estado vi-bracional superior ya sea deS1 o S2. Normalmente, salvo algunas excepciones, las molecu-las en fases condensadas se relajan rapidamente hacia el nivel vibracional inferior deS1. Talproceso es conocido como conversion interna y ocurre en un intervalo temporal cercano alos 10−8s o menos.

Una vez que la molecula regresa del estado excitado al estado base (electronico) lo hacepero sobre algun estado vibracional distinto al inferior.Sin embargo, la molecula alcanza elequilibrio termico hasta noa haber consumido cerca de 10−12s. Una de las consecuencias eimportancias de la emision de estados vibracionales superiores al base es que el espectro deemision tipicamente forma una imagen espejo del espectrode absorcion con la transicionS0 −→S1. Estas similitudes son debidas a que la excitacion electr´onica no altera en absolutola geometrıa del nucleo. Ası, el espaciamiento entre losniveles energeticos vibracionales delos estados electronicos excitados son similares a los delestado base. Por lo que las estruc-

23

turas vibracionales que son posibles apreciar en los espectros de emision y de absorcion sonsemejantes.

II.b.3. Caracterısticas de la Fluorescencia

II.b.3.i. El corrimiento de Stokes

Tal y como lo ilustra el diagrama de Jablonski de la figura (10)las energıas en la fase deemision de fluorescencia son tipicamente menores que las energıas en la fase de absorcion.Resulta que en la fluorescencia las energıas son menores o delongitud de onda mayor quelas de la fuente de excitacion.

Algunos estudios del ano de 1852 apuntan la peculiaridad delas diferencias de energıasentre la longitud de onda de radiacion excitadora y de la radiacion emitida como fluorescen-cia (Sir G.G. Stokes). A partir de las observaciones del profesor Stokes se posible evidenciarmuchas de las propiedades de las soluciones fluorescentes. Una de las soluciones muchomuy estudiadas desde entonces es la quinina. La quinina es incolora ya que su espectro deabsorcion abarca la radiacion UV la cual es invisible antenuestros ojos. Esta solucion flu-oresce en el azul y dicha emision se desvanace en intensidadexponencialmente a lo largode la direccion de incidencia. Sin embargo, es posible apreciar la emision fluorescente endireccion perpendicular a la de incidencia y por unos cuantos milimietros despues de lasuperficie.

El corrimiento de Stokes no es mas que una consecuencia del principio de conservacionde la energıa. Por otro lado, la diferencia de energıas entre la excitacion y la emision esun fenomeno universalmente observado en la fluorescencia de moleculas disueltas en al-guna solucion. Una de las razones que provocan este corrimiento de Stokes es la rapidezcon que decae la molecula desde estados vibracionales excitados en el estadoS1. Ademas,generalmente los fluoroforos decaen a estados vibracionales del nivelS0 superiores al base,ver figura (10), lo que lleva a mayores cantidades de energıadisipada en llevar al equilibriotermico a la molecula desde los estados excitados vibracionales una vez que se ha emitidola fluorescencia.

II.b.3.ii. Independencia del espectro de emision con la luz excitadora

Despues de haber sido excitada la molecula fluorescente hacia niveles superiores tantoelectronicos como vibracionales la energıa excedente sedisipa rapidamente, lo cual llevaal fluoroforo al nivel vibracional mas bajo del estado electronicoS1. Esta breve relajacionsucede en esacasos 10−12s y podrıa explicarse a partir de del fuerte encimamiento denu-merosos estados con energıas muy parecidas. El orden de magnitud temporal de esta rela-jacion no tiene mucha jurisdiccion en el espectro de emision por lo que en la practica laemision o fluorescencia no depende de la longitid de onda de excitacion.

24

III. INSTRUMENTACI ON YMETODOS EXPERIMENTALES

En las siguientes secciones se describen los circuitos y lascomponentes electronicasque son utilizadas para la construccion de las fuentes pulsadas de luz y que constituyen elobjetivo del presente trabajo de maestrıa. En primer lugarse describen y mencionan algu-nas de las especificaciones: su composicion y datos tecnicos, de las fuentes de luz o diodosemisores de luz (LED’s) utilizados: Azul y Ultravioleta. Tambien se describen y esquema-tizan los circuitos de operacion con que se obtienen los pulsos de corriente necesarios parapulsar las fuentes pulsadas de luz. Estas fuentes, basadas en diodos emisores de luz (LED),emiten en el azul y en el ultravioleta, y en el resto de este trabajo seran denominadas conlos nombres de Ledosol V y Ledosol UV, por Visible y Ultra Vileta, respectivamente. Laseccion (III.b. ) esta dedicada a la descripcion y desarrollo del metodo llevado a cabo para lafase de optimizacion temporal y de la amplitud del pulso ultracorto de la lampara LedosolV. En la seccion (III.c. ) se describen tanto los sistemas de medicion como los metodos ex-perimentales empleados en los distintos procedimientos decaracterizacion, pruebas y medi-ciones de los sistemas pulsados y las mediciones de fluorescencia. Por ultimo, en la seccion(III.d. ) se describe a la molecula organica de la cumarina 460 (C1), ası como el proceso depreparacion de esta. Para la preparacion de la solucionse disuelve en etanol cierta masa deC1, y es ası como la solucion de C1 se emplea para obtener mediciones de fluorescencia,las cuales se presentan en el capıtulo (IV ).

III.a. LED’s y circuitos de operaci on

La lampara pulsada de luz Ledosol V cuenta con diodo emisor de luz (LED) azul de5mm tipo lampara (modelo: 5/AZUL ULTRA). Esta clase de LED es comercial y es posi-ble encontrarlo en cualquier tienda de Electronica. Este LED es de elevada luminosidad yemite luz azul debido a su composicion de nitruro de galio indio (InGaN). Sus especifi-caciones basicas son las siguientes: longitud de onda central (a 10mA)= 470nm, angulode dispersion= 30grados, intensidad luminosa (a 20mA)= 1500mcd, corriente maximade operacion (CC)= 20mA, potencia maxima de disipacion= 120mW y voltaje tıpico depolarizacion directa = 3.5V (circulando 20mA) [17].

La operacion en modo pulsado del LED azul se logra acoplandoa sus terminales un

25

QC

R

VV

R

Q

RR

C

C A

B

12

3

4

CC ref

1

1

22

3

Figura 11: Arreglo de las componentes electronicas del circuito basico de operacion de la le-doSOL A. Circuito oscilador por relajamiento (COR).Q1 = 2SA1206 yQ2 = 2SC2901 (transistoresbipolares ultrarapidos tipos PNP y NPN, con tiempos de permanencia de 16ns y 6ns [11, 10], re-spectivamente),R1 = 200-250kΩ, R2 = 1kΩ, R3 = 10kΩ, R4 = 220Ω, C1 = 68pF,C2 = 10pF yC3 =15pF.

circuito oscilador por relajamiento (COR) y un circuito consistente en un filtro de diodos(CFD) [13]. El COR, el cual se ilustra en la figura (11) y que es el circuito basico de op-eracion de la Ledosol V, funciona con base en un circuito RC.Inicialmente, cuando elcondensadorC1 esta descargado la caıda de voltaje en sus terminales es cero, por lo que lostransistoresQ1 y Q2 estan apagados. El potencialVre f esta fijo y su valor esta determinadopor los valores del divisor de voltaje constituıdo por las resistencias deR2 y R3. Paulatina-mente, el voltaje aplicadoVCC va cargando al condensadorC1 vıa el resistorR1. Cuando elvoltaje sobreC1 rebasa el valor deVre f y alcanza un valor igual al voltaje emisor-base deQ1 masVre f , este mismo transistor se activa y empieza a conducir. Lo anterior ocasiona queQ2 se active y queVre f caıga rapidamente ocasionando el encendido completo deQ1. Estasacciones propician la descarga deC1 a traves de la resistenciaR4 y a lo largo de una mallade baja impedancia produciendose las condiciones necesarias para que el COR regrese a sucondicion inicial.

El circuito filtro de diodos (CFD), ilustrado en al figura (12), se compone de un conjuntode diodos, que operan junto con el LED azul, y que realizan unafuncion al dejar pasar lasenal pulsada devuelta por el circuito de oscilacion por relajamiento (COR). Al inicio, eldiodo D1 deja pasar solo la componente positiva de la senal pulsaday auxilia a mejorarla definicion de ascenso de este pulso de excitacion. Despues, la senal se bifurca hacia elled azul y hacia el resitorR5 en serie con el segundo diodoD2. La posicion en paralelo deel resistorR5 en serie con el diodoD2 con el led azul permite la aplicacion de la maximaamplitud del pulso logrado por el COR sobre el led azul. Y, ademas, controlar el suministrode corriente sobre este led. La magnitud del resistorR5 puede ser usada para alterar el

26

tiempo de respuesta del diodoD2. Ya que la activacion y desactivacion del segundo diodoD2 dependera de la corriente circulando en esa malla. Por lo tanto, esto afecta la cantidadde energıa que se proporciona al LED. Por lo que la manera de pulsado del led azul: formadel pulso y su duracion a la altura media, depende intrınsecamente de los valores deR5 yde la respuesta pronta o retardada del diodoD2. Los circuito COR y CFD se acoplan pormedio de las terminales A y B segun la ilustracion de las figuras (11) y (12).

A

B

R

D

D1

2

5 LED azul

Figura 12: Arreglo de diodospara acoplar el LED Azul. ElCFD selecciona (filtro) los pul-sos positivos y regula la corri-ente suministrada al LED azul deacuerdo a los valores deR4 y C3.El CFD utiliza diodos de senal:D1 = D2 = 1N4148, con un tiem-po de recuperacion de 4ns y cuyacapacitancia alcanza 4pF sin po-larizacion [6]),R5 = 10Ω.

Por otro lado, la lampara Ledosol UV se construye a partir deun LED tipo chip queemite en el ultravioleta (UV) (Nichia Corporation, modelo:NCSU033A(T)). Este led escomercial, pero es relativamente mas difıcil de conseguir, debido a que su desarrollo tec-nologico es relativamente reciente. Esta tecnologıa se desarrollo hace dos decadas y estaaun en desarrollo. El led NICHIAcorp. se conforma de epicapas (pelıculas delgadas so-brepuestas) crecidas sobre moldes de GaN en substrato de zafiro [5]. Las especificacionesde este novedoso led se indican a continuacion: longitud deonda central (excitando con500mA)= 365nm, ancho espectral= 9nm, corriente maxima de operacion en modo CC=700mA, potencia maxima de disipacion= 3.3W y voltaje tıpico de polarizacion directa =3.6V (circulando 500mA) [4].

Para operar al led UV en modo Pulsado (MP) se desarrolla un circuito Generador dePulsos de Corriente elevada (GPC) [18]. Este circuito funciona a partir de un par de transi-stores bipolares y es excitado externamente por un pulso rectangular que se obtiene a partirde un generador de pulsos comercial. Ademas, se construye un inductor (L) con un diametrode 5mm, de 15 vueltas y cuya inductancia mide 1.1µH, ver figura (13).

Los transistores bipolares que conforman al circuito GPC son de tipo NPN (Zetex, mod-elo: ZTX415,VCBO = 260V) y operan en modo de avalancha [22]. A partir de una polar-izacion adecuada los transistores ZTX415 pueden devolverpulsos de corriente elevada hasta60A y de muy corta duracion, que puede alcanzar los 10ns [3].

Para los propositos de esta tesis, ademas del modo pulsadodel led UV se contemplael objetivo de implementar dos modos mas, con el fin de dotar de mayor versatilidad a lafuente. Los modos Continuo (MC) y Monocromatizado (MM) conforman el resto de modosa los que se somete la fuente de luz semiconductora. Estos dosmodos se logran con un solocircuito de operacion y, para el modo monocromatizado, se anade un monocromador optico.

27

Fuente de AV

C

LLED UV

R

R

R

R

Q

Q

50ns

5V

B

P

a

b

a

b

Figura 13: Circuito Generador de Pulsos de Corriente eleveda (GPC) para operar al led UVen modo pulsado (MP).Las componentes en el arreglo son:Qa = Qb = ZTX415, RP = 63kΩ, RB

= 220Ω, Ra = 51Ω, Rb = 1kΩ, C = 15pF y L = 1.1µH. Este circuito se excita externamente con unpulso rectangular a 5V de amplitud y 50ns de duracion. Se emplea un modulo LC-meter HM8010(HAMEG instruments) para medir la inductancia L. El par de transistores NPN en modo avalanchason polarizdos con valores por encima de+500V.

Figura 14: Circuito RLED paraoperar al led UV en modo Con-tinuo y en modo Monocromatiza-do. Para el caso de tener una po-larizacion directa de 30.0V el cir-cuito RLED alcanza 74.1mA. Se uti-liza un multimetro digital BKPre-cision 2407A (maximos: 10A/60s,600V en CC y AC). La mınima es-cala es de centecimas de mA mien-tras que las cifras significativas llegaa las decimas de mA.

LED UV

MULTIIMETRO

A

Fuente de poder

1623ABKPrecision

alta potencia

NICHIA Corp.

BKPrecision2407A

Resistor de

R

Para lograr los modos MC y MM se opera un circuito que consta de: un resistor (R) en seriecon el led UV (de NICHIAcorp.), o circuito RLED para ser mas breves, el cual se ilustra enla figura (14). Para obtener el mayor desempeno del led se busca la resistencia (R) optimacon tal de no exceder la maxima potencia de disipacion permitida por el LED NICHIAcorp.(3.3W). El arreglo final resulta de 5 resistores de alta potencia (1W) en paralelo con una

28

resistencia equivalente de 361.5Ω.

III.b. Optimizaci on temporal de la Ledosol V

Esta seccion presenta el metodo desarrollado para optimizar el desempeno de la fuentede luz visible. La optimizacion se realiza sobre dos cualidades del pulso ultracorto: su du-racion, la cual se mide desde la amplitud media del pulso o full width at half maximum(FWHM) y su amplitud. En primer lugar, el metodo consiste enla simulacion numerica delos circuitos que excitan a la lampara. Esta simulacion permite ubicar el espacio de paramet-ros idoeno para la operacion de la fuente. En segundo lugar, se llevan a cabo observaciones,ya en el circuito real construıdo, para identificar y elegir los parametros relevantes que hande caracterizar al pulso. El tercer paso consiste en realizar mediciones de la amplitud y laduracion del pulso ultracorto una vez que se han identificado los parametros relevantes.

La simulacion numerica se hace solo sobre el circuito de relajacion, COR. La razon delimitar la simulacion numerica a este circuito obedece alhecho de que el COR es el circuitobasico para operar a la Ledosol V. La duracion y la amplitudde los pulsos opticos dependendel grado de desempeno de este. Para llevar a cabo la simulacion numerica del circuito seutiliza un software facil de adquirirse y con un amigable menu para la edicion que se llamaCircuitMaker.

En base a las simulaciones obtenidas se busca, de manera preliminar, la forma esperadade los pulsos, mismos que seran observados en el osciloscopio. En este segundo paso delmetodo de optimizacion, como se menciono, se identificanlos parametros relevantes a laoperacion de las fuentes, tanto independientes como dependientes. Estos parametros auxil-iaran en la caracterizacion del pulso y en elegir las condiciones optimas de operacion de lafuente Ledosol V.

El tercer paso de este metodo consiste en medir, experimentalmente, las caracterısticasde los pulsos que devuelve la Ledosol V. Estas mediciones sonla base para identificar losvalores de las resistencias y capacitancias adecuadas paraoperar la lampara Ledosol V encondiciones optimas, en aplicaciones directas en el laboratorio.

III.b.1. Simulaci on Numerica del COR

Los circuitos de operacion de la Ledosol V no rebasan las veinte componentes elec-tronicas en su composicion. Sin embargo, la introduccion de componentes tanto activascomo no lineales, por ejemplo: los transistores bipolares,dificultan la tarea de deduciranalıticamente su comportamiento.Esta y las razones presentadas al inicio de la seccionanterior (III.b. ) motivan la tarea de llevar a cabo simulaciones numericas del COR.

El programa de simulacion CircuitMaker es el que se utilizaen el presente estudio parallevar a cabo las simulaciones numericas del circuito. Este programa corre en la arquitec-tura Windows y esta basado en el codigo de simulacion SPICE (Simulated Program withIntegrated Circuit Emphasis) desarrollado en UC Berkeley.CircuitMaker funciona con laversion 3 de SPICE. SPICE trabaja con ecuaciones lineales simultaneas que son expresadas

29

en forma matricial y que en cada paso de la simulacion se determinan los voltajes y lascorrientes DC de un circuito. Ası, el circuito se reduce a unarreglo de conductancias quese colocan en una matriz, de la formaG∗V = I , para construir las ecuaciones. Cuandoel circuito incluye elementos no lineales, SPICE realiza m´ultiples iteraciones de las ecua-ciones lineales para saldar las no linealidades. Los calculos se inician con valores pruebade los voltajes en cada nodo y, basandose en las conductancias del circuito, se obtienen lascorrientes alrededor de todo el circuito. Despues, SPICE utiliza estos valores de corrientepara recalcular los voltajes en cada nodo y el ciclo vuelve a repetirse. Este ciclo continuahasta que todos los voltajes en cada nodo y las corrientes alrededor se ajusten a toleranciasespecıficas.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

am

plit

ud

, V

tiempo, µs

Señal por simulación9.66V0.22V

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

230 245 260 275 290 305 320 335 350

am

plit

ud

, V

tiempo, ns

Señal por simulación9.66V0.22V

a b

Figura 15: Simulacion en CircuitMaker. a, Amplitud y extension del pulso simulado en Circuit-Maker.b, Acercamiento del pulso donde es posible notar una saturacion despues de la componentemas breve del pulso.

Con las simulaciones de CircuitMaker se pueden obtener las soluciones temporales dela amplitud del pulso devuelto por el COR. Para estas simulaciones algunas componentescarecen de soporte en las propias bibliotecas de CircuitMaker. Por ejemplo los transistorescomplementarios PNP-2SA1206 y NPN-2SC2901, basicos parael funcionamiento de la Le-dosol V, no tienen un elemento que los reproduzca fielmente. Razon por la cual se eligen loselementos mas cercanos (genericos) a estos transistoresbipolares respecto a sus especifica-ciones tecnicas. Despues, conforme a las propias herramientas que ofrece el simulador Cir-cuitMaker, se realiza una edicion de las especificaciones de dichos elementos para acercarsus valores a los valores usados en el circuito a simular. Laspropiedades de los transistorescomplementarios son similares al resto excepto por los tiempos de respuesta muy cortos,tanto a la subida como a la bajada de una senal. Esta singularpropiedad permite obtenerlos pulsos de nanosegundos requeridos para los propositosde la presente tesis. Las modi-

30

ficaciones tecnicas realizadas sobre las componentes gen´ericas, para hacerlas semejantes alas de nuestro circuito fueron: para el transistor generico PNP (Si, 625mW, 40V, 200mA,250MHz) se modifica el tiempo de transito ideal a polarizacion directa entF = 500,0psy eltiempo de transito ideal a polarizacion inversa entR = 3,0ns. El transistor complementarioal anterior se modifican entF = 400,0psy tR = 1,0ns.

Los resultados de la simlacion del COR en CircuitMaker se muestran en la figura (15).Las graficas de esta figura se obtienen usando valores de simulacion en la polarizacion delCOR aVCC = 15V. La duracion del pulso simulado o FWHM (por sus siglas eningles)es de 19.6ns, la amplitud maxima del pulso ultracorto es de 9.66V. En la figura (15.b) seaprecia un voltaje, alrededor de 2.71V, que va de los 300ns hasta los 400ns, aproximada-mente. Dicha meseta de la senal completa, la cual acompanaal pulso ultracorto, es posibleobservarla en el osciloscopio. Las observaciones mencionadas se muestran en la seccionsiguiente (III.b.2. ).

III.b.2. Observacion del pulso ultracorto devuelto por el COR

Como ya se menciono en parrafos anteriores el circuito de operacion basico de la Le-dosol V esta asociado a un circuito RC. Por esta razon la optimizacion del FWHM y de laamplitud del pulso ultracorto se realiza sobre los valores de la constante de tiempoτ delcircuito RC. Entonces, el estudio se hace variando los valores de la resistenciaR1 conC1fija y viceversa, manteniendoR1 fija y variandoC1. Con lo anterior se espera que en lastermianales A y B (ver fig. 11) los pulsos devueltos por el COR difieran en duracion y am-plitud. El valor de la resistencia deR1 se modifica a partir de un elemento resistivo variable,conocido comoPreset o Trimpot. Para cambiar el valor de la capacitancia deC1 se soldanen paralelo los condensadores necesarios.

En el circuito COR existen diversos parametros independientes:VCC, R1, C1, VCE y VEB.De los anteriores es que depende la duracion, la frecuenciaa la que se repiten los pulsosultracortos y la amplitud de estos. Para caracterizar la forma, la amplitud y la duraciondel pulso se escogen los parametros siguientes: H, h y FWHM,tal y como se especificanvisualmente en la figura (16). Ası mismo, para el proceso de optimizacion de las amplitudesmaxima (H) y media (h), y del ancho a la altura media (FWHM) del pulso se escoge elvoltaje de corriente continuaVCC como parametro independiente. Este voltajeVCC es elmismo que se aplica sobre las terminales de polarizacion, Ay B, del COR ilustrado en lafigura (11) de la seccion (III.a. ).

Una vez identificados los parametros por controlar y por observar se realizan las primerasmediciones. Para ello el circuito COR se polariza con una fuente de potencia CC reguladaBKPrecision (1623A, 60V, 1.5A) y los pulsos ultracortos se observan en un osciloscopioTektronix de 2 canales (TDS1002B, 60MHz, 1.0GS/s).

En la figura (17) se muestran las observaciones del FWHM al mantener fijo el valorde R1 (223.3kΩ) y modificando el valor de la capacitanciaC1: 48.00, 58.00, 68.10, 78.19y 88.30 pF. Por otro lado, en la figura (18) se muestran las mediciones correspondientesa mantener constante el valor de la capacitanciaC1 (67.00pF) y modificar el valor de la

31

H

h

FWHM

a b

Figura 16: Parametros que se usan para caracterizar el pulso ultracorto devuelto por el COR.a, El pulso devuelto por el COR tiene dos componentes de amplitudes diferentes,H = 6.7V y h =1.4V.b, La duracion del pulso es caracterizada por el tiempo transcurrido a la altura media del pulsoultracorto (FWHM), en este caso en particularFWHM = 8.0ns.

10

20

30

40

9 11 13 15 17

FW

HM

, ns

VCC, Volt

C1 = 48.00 pFC1 = 58.00 pFC1 = 68.10 pFC1 = 78.10 pFC1 = 88.30 pF

Figura 17: FWHM de un pulso ultracorto de la fuente Ledosol V.Manteniendo fija la resistenciadeR1 (223.3kΩ) y variandoC1.

resistenciaR1: 160.50, 180.00, 200.00, 220.00, 240.00, 255.00 kΩ. Los valores del voltajeCC, oVCC, admitidos por la fuente Ledosol V abarcan un intervalo amplio que va de 9.00V

32

10

10.5

11

11.5

12

12.5

13

10 12 14 16 18

FW

HM

, ns

VCC, Volt

R1 = 160.50 kΩR1 = 180.00 kΩR1 = 200.00 kΩR1 = 220.00 kΩR1 = 240.00 kΩR1 = 255.00 kΩ

Figura 18: FWHM de un pulso ultracorto de la fuente Ledosol V.Manteniendo fija la capaci-tancia deC1 (67.00pF) y variandoR1.

a 17.00V.En dichas observaciones, ilustradas en las figuras (17) y (18), se presenta una disper-

sion notable, tanto para el caso de modificar los valores de la resistenciaR1 como de lacapacitanciaC1. Por ejemplo, si calculamos el promedio del FWHM, pesado conlos val-ores del voltaje aplicado, se obtienen 14.03ns (± 0.01ns) para un valor de capacitanciaC1 = 68,10pF, mientras que para los valores deC1 = 58,00pF yC1 = 78,10pF resultanlos FWHM de 19.82ns y 20.33ns, respectivamente. Por otro lado, cuando se mantiene fijoel valor deC1 la dispersion disminuye hasta un orden de magnitud. Este ultimo resulta-do decide la manera de hacer mas estable y reproducible a la fuente Ledosol V, o sea,manteniendo el valor deC1 fijo y modificar el valor de la resitenciaR1. Sin embargo, la dis-persion no desaparece. Por ejemplo, para el caso de un valordeR1 = 255,00kΩ se obtieneun FWHM, promediado con los voltajes respectivos (promediopesado), igual a 11.34ns. Enestas mismas mediciones el promedio pesado para el FWHM mınimo es igual a 10.57ns quecorresponde a un valor deR1 = 200,00kΩ. Mientras que para los valores deR1 = 160,50kΩy R1 = 220,00kΩ se obtienen 11.83ns y 11.08ns, respectivamente.

Los intervalos de tiempo a los que se obtienen las observaciones del FWHM, ya seapor variarC1 o sea por variarR1, varıan segun el valor de la componente. Para el caso demantener fijo el valor deR1 el intervalo de observaciones es amplio: de 12.10 a 54.40 ns,ver figura (17), es decir, presenta una dispersion ancha. A diferencia del caso contrario,manteniendo fijo el valor deC1, el intervalo de observaciones del FWHM es estrecho: de10.00 a 12.30 ns, ver figura (18).

Las observaciones de las amplitudes del pulso, tanto la maxima (H) como la mediana

33

0.27

0.28

0.29

0.3

0.31

0.32

0.33

10 12 14 16

φ, s

.u.

VCC, Volt

R1 = 160.50 kΩR1 = 180.00 kΩR1 = 200.00 kΩR1 = 220.00 kΩR1 = 240.00 kΩR1 = 255.00 kΩ

Figura 19: Cociente φ = h/H de amplitudes: de la mesetah y del maximo H. La serie demediciones consta de 6 valores distintos para la resistencia deR1.

0.4

0.425

0.45

0.475

0.5

0.525

9 11 13 15 17

φ, s

.u.

VCC, Volt

C1 = 48.00 pFC1 = 58.00 pFC1 = 68.10 pFC1 = 78.10 pFC1 = 88.30 pF

Figura 20: Cocienteφ = h/H de amplitudes: de la mesetah y del maximo H. Se logran 5 seriescon los valores respectivos de capacitancia deC1.

(h), tambien cambian su valor y, de hecho, presentan dispersion. En la figura (19) se muestrael comportamiento del cociente h/H (=φ ) para distintos valores de resistenciasR1. En estecaso el valor deφ presenta un mınimo el cual sucede cuando el valor de la resistencia

34

es deR1 = 200,00kΩ y es igual a 0.2766 (± 0.0015). Lo cual es consecuente con haberencontrado el desempeno mas optimo con relacion al FWHMde la Ledosol V para el mismovalor deR1. Una interpretacion de este ultimo resultado es que bajo estas condiciones elCOR esta devolviendo un pulso con una amplitud H mayor que 3 veces a la amplitud h. Enel caso de un valor deR1 = 220,00kΩ el cocienteφ , promediado con pesos, resulta igual a0.2840, mientras que para un valor deR1 = 160,50kΩ y R1 = 255,00kΩ se obtienen 0.2896y 0.2899, respectivamente.

Por otro parte, en la figura (20) se muestra el comportamientodel cocienteφ paradistintos valores de capacitanciaC1. Los valores con mayor dispersion, y los cuales pre-sentan valores mas grandes a los mencionados en el parrafoanterior, pertenecen al valordeC1 = 48,00pF. Resultado que corrobora el pesimo desempeno de la fuente Ledosol Val mantener el valor de la resistenciaR1 fijo. Sin embargo, la dispersion disminuye con-siderablemente para algunos otros valores de capacitancia. Tal es el caso de los valoresC1 = 58,00pF yC1 = 78,10pF cuyos cocientes,φ , promediados son 0.4182 y 0.4171, re-spectivamente. En especial se obtiene un valor mınimo deφ para un valor de capacitanciaC1 = 68,10pF el cual es 0.4132.

III.c. Sistemas de observacion y medicion de los pulsos

Los disenos de los circuitos electricos y la optimizacion de la fuente de luz en el visible,Ledosol V, son la base para la construccion de la fuente semiconductora en el ultravioleta,Ledosol UV, y de un prototipo mejorado para la fuente azul. Los detalles de operacion ydiseno de estas dos fuentes se mostraran en el capıtulo siguiente. A continuacion se mues-tran los instrumentos y los arreglos experimentales necesarios para llevar a cabo las obser-vaciones que constituyen el objetivo pricipal del presentetrabajo de tesis.

III.c.1. Arreglo experimental para observar el pulso de luzAzul

El voltaje y la corriente que se aplican al circuito de operacion COR son controladosdesde una fuente de poder CC regulada BKPrecision. Los pulsos tanto electrico como opticoson observados en un osciloscopio Tektronix de 2 canales modelo TDS1002B, con un anchode banda de 60MHz y con 1.0GS/s de velocidad de muestreo, ver figura (21.a).

Para detectar el pulso optico se utiliza un fotomultiplicador, version economica de unHamamatsu 1P28, marca JM modelo CV 337.Este se polariza a -1.2kV por medio de unafuente de poder de alto voltaje marca Fluke modelo 415B con unintervalo amplio de voltajetanto positivo como negativo (0 -±3100 V) a corriente continua (CC). Esta fuente puedeentregar hasta 30 mA con un rizo menor a 1mV.

En estas observaciones en partıcular se utiliza el fotomultiplicador JM CV337. El cuales una version economica del 1P28 y, tambien, para el cualse tiene acceso a sus resistenciasque dividen el voltaje sumistrado entre anodo y catodo sobre sus dinodos. En la figura (21.b)se ilustra la distribucion de los 9 dinodos, el anodo y el c´atodo y los resistores que componenal fotomultiplicador utilizado.

35

CH2 CH1

JM − CV337

TEKTRONIX

TDS 1002BOsciloscopio

Salida del COR

Luz incidenteal detector

-1.2kV9.00 − 25.00 VCAMARA OSCURA

Fuente de Alto VoltajeFuente de Poder

FMLedosol V

D1

D2

D3

D4

D5

D6D7

D8

D9

P

K

96.6k

100.3k

101.1k

103.3k

99.6k

102.1k 98.4k

100.2k

101.1k

96.7k

BNC

BNC

Luz incidiente

a b

Figura 21: Arreglo experiemental para la Ledosol V. a, Se ilustra la fuente Ledosol V, la cual,junto con el fotomultiplicador se aislan opticamente, introduciendoce en una camara oscura.b, Elarreglo de dinodos, catodo y anodo del fotomultiplicadorJM - CV337. El catodo (K ) se polariza conAlto Voltaje (> 500V) mientras que la senal de luz amplificada proveniente del anodo (P) se guıa ala sonda del osciloscopio.

III.c.2. Arreglo para observar el pulso de luz UV

Para el caso de la fuente ledoSOL UV el circuito de operacion(GPC) se polariza con lafuente Fluke y es excitado externamente con un Generador de Pulsos rectangulares Hung-Chang (PG 1000, 10V, 50Ω). Los pulsos de excitacion y optico se visualizan en un oscilo-scopio Tektronix de dos canales (TDS 1001B, 40MHz, 500MS/s).

Las partes principales que constituyen el arreglo experimental empleado para observareste pulso se pueden dividir en dos partes: un arreglo optico y un arreglo electrico (fig. 22).El sistema optico lo conforman un par de lentes plano-convexas Thorlabs (LA1951-A yLA1027-A, distancia focal = 25.4mm y 35.0mm, respectivamente), una fibra optica multi-modal optimizada para radiacion ultravioleta y un Monocromador Spex (270M, distanciafocal = 24cm, rejilla Horiba-JobinYvon con 2400l/mm eficiente entre 300-650 nm). El sis-tema electrico lo conforman los pulsos ultracortos tanto electricos como opticos, que sevisualizan en un osciloscopio Tektronix de dos canales modelo TDS1001B con un anchode banda de 40MHz y una velocidad de muestreo a 500MS/s. El pulso optico se visualiza apartir de ser detectado por un fotomultiplicador Hamamatsu(R928, fotocatodo multialcali-no, diametro = 28mm, 185-900nm). Para polarizar a este fotomultiplicador se utiliza unafuente de alimentacion (estabilizada en voltaje) disenada y construıda por el personal dellaboratorio a partir de un modulo de alto voltaje Bertan (modelo: PMT-50C-N, intervalo dealto voltaje: 0 a -5 kV CC, intervalo de corriente: 0 a 0.5 mA, rizo de 10mV).

36

TEKTRONIX

Osciloscopio

MONO

FibraOptica

R928FM

-0.90kV

CAMARA OSCURA500VFuente de Alto Voltaje

Lente Colimadora

Lente deEnfoque

LED Luz

Spex − Horiba

(Orden Cero)

Fuente de Alto Voltaje

Ledosol UV

TDS 1001B

CH2 CH1

Pulso excitador

5V − 50ns

Figura 22: Arreglo experimental para observar los pulsos ultracortos de la fuente LedosolUV. El cirucito GPC junto con led UV conforman a la Ledosol UV.Esta se polariza con alto voltaje(∼500V) y es excitada (electricamente) con un pulso rectangular externo.

III.c.3. Arreglo para observar los espectros del led UV y de C1

Una vez que las fuentes pulsadas de luz estan construidas seprueban y, entonces, estanlistas para realizar mediciones relevantes en diferentes campos. Entre las aplicaciones de es-tas fuentes de luz esta la espectroscopia en el ultravioleta para realizar estudios no invasivosen celulas dopadas con marcadores luminiscentes y, ası, obtener una cuantıa de los globulosrojos en la sangre. Tambien, las fuentes pulsadas de luz sonutiles para realizar estudiosdependientes del tiempo tal como la difusion libre de compuestos en soluciones usando lafluorescencia de las moleculas debida al efecto Foster, asi como estudios del fenomeno depreruptura en las descargas electricas.

La fuente Ledosol UV desarrollada en este proyecto se pruebacon tal de realizar lasobservaciones de los pulsos opticos que devuelve la misma.Por otro lado, la radiacion UVde esta fuente se enfoca para bombear una solucion organica fluorescente de cumarina 460(C1). Para ilustrar una de las aplicaciones del instrumentodesarrollado se llevan a caboestudios de espectroscopia. Estos estudios abarcan tanto ala misma fuente de bombeo (oexcitadora), o sea, al LED UV (de NICHIAcorp.), como a la emision de la C1. El acoplo delos instrumentos se pueden dividir en diferentes sistemas de medicion o arreglos: el arreglooptico, el arreglo de deteccion y, por ultimo, el arreglode control y adquisicion.

El SistemaOptico permite determinar el esprectro de emision del led UV. En este sis-tema de observacion se emplea un par de lentes plano-convexas. Asimismo, se emplea lafibra optica, cuyas caracterısticas fueron presentadas en la seccion anterior, y un monocro-mador los cuales se ilustran en la figura (22). Este acoplo de instrumentos tambien se uti-lizo en el arreglo experimental para observar los pulsos dela Ledosol UV. Para el caso

37

CAMARA OSCURA

UVLuz

Lente de Enfoque

Optica

Fibra

Luz hacia FM

MONO

Spex − Horiba

MINI(luz seleccionada)

Lente Colimadora

(barrido espectral)

Lente de Enfoque

Cubeta conmuestra

FibraOptica

MONO(barrido espectral)

Spex − Horiba

CAMARA OSCURA

UVLuz

Luz hacia FM

Lente Colimadora

a b

Figura 23: Arreglos opticos para los estudios espectrales del led UV y de la cumarina 460. a,Acoplo del mini-monocomrador para los barridos en modo Monocromatizado del led UV.b, Paralos barridos en modo Continuo y en modo Pulsado se retira el mini-monocromador.

de los espectros del led UV en modo Monocromatizado se utiliza un mini-monocromadormarca OPTOMETRICS LLC modelo DMC101, cuya rejilla de difraccion cuenta con unrayado de 2,400l/mm y un intervalo de confianza entre los 180nm y los 650 nm. Este mini-monocromador tiene una resolucion de 1.66nm. El mini-monocromador, o MINI, se colocaentre el led UV y la fibra optica. El orden de estos tres instrumentos mencionados logran laobtencion del espectro del led UV en modo Monocromatizado.Por otro lado, durante la ob-tencion del modo Monocromatizado de la emision de la C1 el orden de la instrumentacionlo inicia la Ledosol UV, o sea, el led UV, seguida del MINI. Luego se coloca la cubeta con lasolucion organica de C1. Este acoplo se ilustra en el esquema de la figura (23). La solucionde cumarina 460 por estudiar esta contenida en una cubeta decuarzo Q7 que optimiza elpaso de la luz UV.

Una vez que la luz es dispersada por el MONO esta pasa al Sistema de Deteccion dondese inicia la deteccion con un fotomultiplicador HamamatsuR928, el cual es polarizado conuna fuente de poder de alto voltaje Fluke 415B. Esta instrumentacion tambien es utilizadaen la deteccion del pulso de la Ledosol UV, ilustrada en la figura (22). La magnitud de lacorriente devuelta por el FM-R928 es medida con un electrometro marca Keithley modelo614. En este electrometro (ELECTRO) se usan dos escalas de operacion: 20 y 200 nA. Elmodelo 614 cuenta con supresor de corriente el cual es utilizado para calibrar la corrientecero el sistema, ver figura (24.a).

Por ultimo, el Sistema de Control y Adquisicion cuenta conuna computadora personalmarca Dell procesador pentium IIIy 128MB en RAM. Una interfaz analogico-digital (CAD-CDA) marca National Instruments modelo USB – 6009, con 8 entradas (Multifunction I/O)y de 14 bits. El desplazamiento del monocromador, para un barrido en tiempo real, se con-trola a partir de la PC-DELL por medio del puerto paralelo. Laadqusicion y el control se

38

MONO

500V 100V

20nA 200nALuz desde

Fuente de Alto Voltaje

ELECTRO

FM

FLUKE 415B

Keithley 614

R928

(corriente medida)

PC pentium!!!

en Serie

USBPuerto

Puerto

(barrido espectral)

MONO

ELECTRO

CDACAD −

National Instruments

a b

Figura 24: Acoplo e instrumentacion para deteccion y adquisicion. a, Sistema de deteccion ypolarizacion de Alto Voltaje.b, Sistema de control y adquisicion. El programa de LABview hecho exprofeso resuleve la comunicacion con los instrumentos a partir de un Convertidor Analogico-Digitaly Convertidor Digital-Analogico o CAD-CDA de National Instruments.

realizan desde un programa de LABview hecho ex profeso, ver figura (24.b).

III.d. Preparaci on de la solucion de Cumarina 1

Los estudios de espectroscopia han volteado recientementehacia las soluciones organicasy su fluorescencia. Algunas de las razones, que en gran parte justifican la motivacion y hin-chan el ımpetu del presente estudio, se mencionan a continuacion.

En primera instancia las soluciones organicas son de facil adquisicion y, ademas, sonrelativamente economicas. En segundo lugar, los espectros de su fluorescencia se encuen-tran adentro del espectro visible: desde la luz violeta hasta la luz roja, por mencionar los masabundantes. Por otro lado, el tiempos de relajacion y la vida media de los estados de energıaque intervienen en el fenomeno de fluorescencia son del orden de nanosegundos. Ası, de-pendiendo la molecula en estudio pueden obtenerse vidas medias de algunos nanosegundoshasta decenas o centenas de nanosegundos. Debido a estas carcaterısticas de la fluorescen-cia una fuente pulsada de luz en el orden temporal de nanosegundos encuentra multiplesaplicaciones en el area de la espectroscopia.

Algunos estudios de espectroscopia de fluorescencia en soluciones organicas se llevana cabo excitando con fuentes de luz pulsadas lo mas monocromaticas posible, y de hechoes cada vez mas a menudo. Por ejemplo, es posible utilizar unlaser de titanio-safiro paraexcitar sobre soluciones organicas como cumarinas y xantenos [1].

Las cumarinas, o benzo−α−pironas son una amplia e importante variedad de com-puestos quımicos de tipo cıclico. Su estructura de definicion consiste en anillos acoplados

39

de pirona y benzeno. La estructura de la cumarina padre se ilustra en la figura (25.a) [19].Las Cumarinas son comunes en la naturaleza y fue en 1820 que selogro aislar la primer

cumarina a partir de una variedad especıfica de frijol. El estudio de las cumarinas data demediados del siglo XX y, por tanto, mucho se sabe de su emision fluorescente y de sufosforescencia [16], [15]. Una de las cumarinas actualmente poco estudiada es la cumarina460 (C1) cuya estructura quımica se ilustra en la figura (25.b).

O

3

8

7

6

5 4

2

1O

CH3

O O(H C ) N5 2 2

a b

Figura 25: Estructura qu ımica y numeracion esquematica de la Cumarina. a, Molecula de lacumarina padre.b, Molecula de la Cumarina 1.

La cumarina 460, o C1, se prepara en una solucion de alcohol etılico de 5×10−3molarde concentracion. Para preparar la solucion de C1 (molecula:C14H17NO2) [20] se disponede un matraz aforado de 25ml de capacidad, una bascula anal´ıtica Explorer OHAUS, alcoholetılico (Etanol) a 99.9 % de pureza, el cual es el disolventede la solucion, y el polvo blancoy cristalino C1, el soluto.

Antes de mezclar el disolvente y el soluto arriba mencionados, se hace un calculo pararespetar la concentracion molar requerida. Conociendo lamasa molar de la C1 (231.30g/mol),el volumen de nuestra solucion final (2,5×10−2L) y la concentracion requerida (5×10−3molar),se resuelve en una masa igual a 0.0289gr de soluto.

La eleccion de la concentracion final de la solucion de C1 esta basada en la tabla delongitudes de onda de laseo [20] para la dicha molecula. Entre otras razones existen lim-itantes del equipo espectroscopico sobre el intervalo de longitudes de onda posibles a re-solver. Dichas especificaciones tecnicas del equipo y sistemas de medicion se detallan enlas primeras secciones del presente capıtulo.

40

IV. RESULTADOS

En este capıtulo se muestran los resultados obtenidos usando las fuentes que fuerondescritas en capıtulos anteriores. En la primera seccionse muestran los pulsos ultracortosde luz visible (Azul) y de luz ultravioleta (UV): el ancho a laaltura media (FWHM) de estospulsos, la frecuencia de pulsado y la amplitud de estos. En la seccion siguiente se muestranlos estudios de la composicion espectral de la luz emitida por el led UV y por la Cumarinaexcitada por este. Cabe recordar que los estudios espectroscopicos se llevaron a cabo en tresmodos de operacion distintos: el modo continuo (MC), el modo monocromatizado (MM) yel modo pulsado (MP). En la ultima seccion de este capıtulo se presenta el analisis de losresultados obtenidos y se discuten estos mismos con respecto a los conceptos tratados enla seccion (II.a. ) y (II.b. ). Asimismo, se enlistan las virtudes y defectos de estas lamparascon el fin de hacer notar sus atributos y los propios usos potenciales en distintas areasde la investigacion. Ası como tambien los aspectos en losque estas lamparas podrıan sermejoradas en un futuro.

IV.a. Pulsos ultracortos de nanosegundos

La presente seccion muestra los resultados obtenidos, en partıcular las caracterısticasde los pulsos de nanosegundos de las fuentes pulsadas que se han desarrollado. Primero, sepresentan los pulsos y la caracterizacion de estos utilizando la fuente Ledosol V. Despuesse presentan los pulsos de nanosegundos y su caracterizaci´on con la fuente Ledosol UV.

IV.a.1. Observacion de los pulsos de la fuente Ledosol V

El sistema empleado para la observacion del pulso azul consiste de un fotomultiplicadorJM-CV337 y un osciloscopio Tektronix-TDS1002B (ver fig. 21). El canal 1 (CH1) del os-ciloscopio recoge la senal de salida del Fotomultiplicador. El canal 2 (CH2) recoge la senaldesde las terminales A y B del circuito COR. La lampara Ledosol V es polarizada con lafuente de poder BKPrecision modelo 1623A para un amplio intervalo de voltajes que vande los 13.0V a los 26.0V.

Durante la observacion de estas senales es posible observar ruido electrico debido enmayor medida a la induccion electrica provocada por las altas frecuencias a las que opera laLedosol V, que estan en el intervalo de 15 a 30 kHz. Por tal motivo, los pulsos de nanose-

41

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 26: Serie de observaciones del pulso de luz azul con lafuente Ledosol V.CH2: senal deexcitacion y CH1: senal optica. Polarizacion de la fuente Ledosol V: (a) 13.0V, (b) 13.5V, (c) 14.0V,(d) 15.0V, (e) 17.0V y (f) 26.0V. Las observaciones se resuelven con el arreglo experimental de lafigura (21) el cual consta de un fotomultiplicador que es polarizado a -1.2kV.

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gundos se apartan y se guıan con lıneas de transmision terminadas en 50Ω hacıa la sondadel osciloscopio. La terminacion de 50Ω consiste en colocar una resistencia de este mismovalor en paralelo con el cable coaxial (BNC).

En la figura (26) los incisos (a)-(f) ilustran una serie de observaciones del pulso quedevuelve la Ledosol V. Cada una de las figuras se obtiene con diferente valor de voltajede polarizacion de la fuente. Para el inciso (a) la fuente sepolariza a 13.0V, el inciso (b)corresponde a un polarizacion de 13.5V de la fuente, el (c) a14.0V y el (d) a 15.0V todosestos demandan una corriente de 0.01A. A diferencia de las ultimas dos figuras (e) con lafuente a 17.0V de polarizacion demandando 0.02A y el iinciso (f) a 26.0V demandando0.03A.

En la serie de observaciones de la figura (26) llama la atenci´on los cambios en la formadel pulso de luz conforme se modifica la amplitud de la senal de excitacon. Los cambiosen el ancho del pulso de luz y su amplitud son paulatinos y dependientes de la polarizacionde la fuente Ledosol V. La amplitud de la senal optica aumenta un 200 %, considerando lapolarizacion mınima de 13.0V y la maxima de 26.0V. A diferencia de la duracion del pulsoo FWHM que aumenta de 13ns, con 13.0V de polarizacion, hasta52ns a 26.0V equivalentea un 400 % de aumento.

Figura 27: Pulsos de ex-citacion y optico de la fuenteLedosol V. La imagen a laizquierda evidencia dos he-chos. Uno, un pulso optico de12ns (CH1) seguido de unaconpoenente optica secundariay, dos, el retraso entre lassenales de excitacion (CH2)y la optica. Este retraso mide29ns y es debido al viaje delos electrones generados en elseno del fotomultiplicador. Laimagen se obtiene polarizandoel fotomultiplicador de la figura(21) con -1.2kV y con la fuentemisma a 13.0V de polorizacion.

En las observaciones ilustradas en la figura (26) se encuentra un retraso entre las senalesde excitacion y optica. La ampliacion en la figura (27) de una de estas observaciones muestraun retraso igual a 29ns antre los maximos de cada una de las senales. La razon de este retrasoes debida al tiempo que le lleva a un electron transitar desde que es expulsado del catodohasta que es absorbido por el anodo, tiempo igual a 22ns [2].Los nanosegundos faltantesson los mismos que al pulso de excitacion le lleva alcanazarel valor tıpico de polarizacion

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del led Azul. Por otro lado, la senal optica, en el canal 1 (CH1), muestra un pulso de luz conun ancho medio o FWHM de 13ns. A esta le sigue una senal optica secundaria de formairregular y de amplitud considerable, 300mV contra los 840mV del maximo.

IV.a.2. Observacion de los pulsos de la fuente Ledosol UV

En el presente trabajo el led UV esta sometido tanto a pulsosultracortos (FWHM≈10ns) que se repiten a frecuencias elevadas, entre 10 y 20 kHz, como a senales de corrientecontinua (3W). Por ejemplo, en los modos de operacion Continuo y Monocromatizado, es-pecificados en la seccion (III.a. ), se hacen circular corrientes no mayores que 80mA sobreel led UV. Mientras que en el modo de operacion Pulsado las corrientes que circulan son nomayores que 30A. Por otro lado, el led UV a pesar de ser un producto acabado presenta uncomportamiento peculiar cuando es pulsado. Este comportamiento se lleva a experimento yes observado utilizando el circuito de un resitor en serie con el led UV (RLED) esquematiza-do en la figura (14). Tambien se utilizan el generador de pulsos Hung-Chang especıficado enla subseccion (III.c.2. ) y el osciloscopio Tektronix especıficado en la subseccion (III.c.1. )para su visualizacion. En esta seccion se muestran los resultados tanto del comportamientopeculiar del led UV como de los pulsos de nanosegundos obtenidos desde la fuente LedosolUV.

Las series de imagenes en las figuras (28) y (29) muestran dosde las razones por lascuales el pulso de excitacion que se utiliza en la Ledosol V no es factible para excitar al ledUV. Primero, la amplitud de emision del led UV tiene una dependencia proporcional conla propia del pulso de excitacion. Pero, mas notable aun,es interesante observar que hayun retraso creciente entre el pulso de excitacion y el pulsooptico conforme se disminuyela amplitud de excitacion. Por ejemplo, para la excitacion pulsada de 10V durante 600ns a∼22kHz existe un retraso de 130ns, mientras que para una amplitud de 3.8V son cerca de600ns de retraso, ver figura (28). La explicacion de este notable efecto va mas alla de losalcances de esta tesis, pues se relaciona con las propiedades intrınsecas de el led Nichia.Sin embargo, es conveniente enfatizar su observacion paraque sea considerado en estudiosposteriores.

Segundo, el led UV emite de la misma manera sin importar la duracion del pulso deexcitacion, esto ocurre hasta un umbral temporal y a una amplitud dada. Por ejemplo, parala excitacion pulsada a∼22kHz, con una amplitud fija de 10V no existe diferencia en laemision del led UV para un pulso de excitacion de 300.0ns que de 115.0ns, ver figura(29). Sin embargo, existe un umbral temporal para el cual no hay emision debido a la bajacorriente que circula en el led UV.

Teniendo en cuenta las respuestas del led UV en tiempo y amplitud que muestran lasfiguras (28) y (29), como se ha mencionado, se construye la lampara ledoSOL V utilizandoel circuito Generador de Pulsos de Corriente elevada (GPC) detallado en la seccion (II.a. )y cuyo esquema se muestra en la figura (13). Esta lampara se excita externamente con unpulso rectangular de 5V de amplitud y 50ns de duracion, verfiguras (30.a) y (30.b). Elpulso tıpico optico devuelto por la Ledosol UV se muestra en la figura (30.c). Tambien,

44

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 28: Comportamiento del led UV en modo Pulsado a diferentes amplitudes.Se montaun circuito RLED como el de la figura (14), se mantiene constante la duracion del pulso rectangularen 600ns y su amplitud se varia de 10.0V en (a), 8.0V en (b), 6.0V en (c), 4.0V en (d), 3.8V en (e)hasta regresar a 10.0V en (f). Ademas de observarse una disminucion en la amplitud del pulso dela emision del led UV conforme la amplitud del pulso rectangular disminuye, es interesante lo queocurre con el retraso entre cada senal, aumenta.

45

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 29: Comportamiento del led UV en modo Pulsado a diferentes duraciones.Se monta uncircuito RLED como el de la figura (14), se fija la la amplitud del pulso de excitacion en 10.0V y sedisminuye su duracion a 300.0ns en (a), 200.0ns en (b), 120.0ns en (c), 115.0ns en (d), 110.0ns en(e) y 105.0ns en (f). El pulso de la emision del led UV se modifica ligeramente conforme la duraciondel pulso disminuye, pero hay un umbral temporal al cual el led UV ya no emite. Entonces, ademasde haber un umbral de voltaje se encuentra un umbral temporalal cual no hay emision alguna.

46

en la figura (30.d) se muestran los dos pulsos: el pulso optico visualizado desde el canal 1(CH1) y el pulso de excitacion desde el canal 2 (CH2). En estaultima figura es evidente lapresencia de senales parasitas debidas al ruido electrico y a la induccion.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 30: Pulso de excitacion y optico a partir de la Ledosol UV. Pulso que excita al circuitoGPC: (a) con amplitud de 5V y (b) con duracion de 50ns. (c) Pulso optico que devuelve la LedosolUV con un FWHM = 12.80ns y obtenido con una polarizacion de 500V sobre el GPC, (d) Ruido ydesfase de los pulsos de excitacion y optico.

En las figuras (31) y (32) se muestra una serie completa de las observaciones hechasdel pulso ultracorto devuelto por la Ledosol UV. Cada observacion se presenta conforme elvalor del voltaje de polarizacion sobre el circuito GPC aumenta en un intervalo de 500V a540V. Ası, en la primera parte de esta serie la figura (31) muestra 4 pulsos que correspondena un voltaje de 500, 510, 515 y 517 V.

La segunda parte de esta serie de observaciones se muestra enla figura (32) donde losvalores del voltaje de operacion son de 519, 520, 530 y 340 V.

47

(a) (b)

(c) (d)

Figura 31: Serie 1 de pulsos ultracortos de luz UV.FWHM del pulso optico y voltaje de polar-izacion del circuito GPC: (a) 12.80ns a 500V, (b) 15.20ns a 510V, (c) 12.40ns a 515V y (d) 12.00nsa 517V.

Cabe mencionar que todas las observaciones realizadas y acabadas de mostrar corre-sponden a una operacion del circuito GPC optima a 15kHz de frecuencia. Los valores masbajos del ancho a la altura media (FWHM) del pulso se alcanzaron a 517 y 519 V siendoigual a 12.00ns, mientras que el mayor FWHM igual a 24.80ns sealcanza a un voltaje deoperacion de 540V.

Las observaciones se realizaron con el sistema de observacion y medicion detallado enla seccion (III.c.2. ) y esquematizado en la figura (22). La operacion del fotomultiplicadorR928 se llevo a cabo con un voltaje de polarizacion igual a -0.70kV. El monocromador Spexse coloco en el orden cero (en el paso 898) y las rendijas se abrieron a 600µm, la de entrada,y a 500µm la de salida.

El ruido y senales parasitas tipıcamente son ocasionadas por el distanciamiento de las

48

(a) (b)

(c) (d)

Figura 32: Serie 2 de pulsos ultracortos de luz UV.FWHM del pulso optico y voltaje de polar-izacion del circuito GPC: (a) 12.00ns a 519V, (b) 19.20ns a 520V, (c) 22.80ns a 530V y (d) 24.80nsa 540V.

componentes. Tal es el caso de el circuito GPC ya que su prototipo aun en tarjeta ProtoBoardlimita la cercania y las posiciones de sus componentes. Por tal motivo en la visualizacionde los dos pulsos: optico y de excitacion, ver figura (30.d), el pulso de excitacion recibe unadeformacion de mayor concideracion a la del pulso optico. Entre otras razones porque escon esta senal de excitacion que sedisparaal osciloscopio.

IV.b. Espectros de emision

Como se explico al inicio de este capıtulo el led UV es operado en tres modos: el modoContinuo, el modo Pulsado y el modo Monocromatizado. La operacion de la fuente enestos diferentes modos de operacion permiten estudiar distintos aspectos instrumentales y

49

de interes cientıfico. El primer estudio consiste en conocer que tanto se ven modificados losespectros de emision de la fuente semiconductora de luz UV (led UV) como funcion de losdistintos modos de pulsado y operacion. El segundo estudioconsiste en entender como secomporta el espectro de emision de una solucion organica(Cumarina 1) excitada con la luzUV de dicha fuente operada en los tres modos mencionados.

En esta seccion se presentaran los espectros de emision tanto de la fuente Ledosol UV(que cuenta con el led UV de NICHIA corp.) como de la solucionde Cumarina 1. Enprimera instancia se presentan los espectros de emision del led UV. Las emisiones de esteled en los modos de operacion Continuo y en el modo Pulsado secomparan entre sı, mien-tras que la emision en el modo Monocromatizado se presenta en un apartado distinto. Enseguida se presentan los resultados espectroscopicos de las emisiones por fluorescencia dela Cumarina 1 en los tres modos de operacion del led UV.

IV.b.1. Modo Continuo y Modo Pulsado del led UV

La emision del led UV en modo Continuo (MC) y en modo Pulsado (MP) se obtieneusando los arreglos experimentales detallados en la subseccion (III.c.2 ). En esa subsec-cion se mostraron los esquemas de la instrumentacion y su acoplo, ver figuras (23) y (24),necesarios para resolver los espectros obtenidos y que a continuacion se presentan.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

340 345 350 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400

Em

isió

n U

V n

orm

aliz

ada,

s.u

.

λ, nm

espectro en MCespectro en MP

Figura 33: Espectro del led UV en modo Continuo y en modo Pulsado. Los espectros normal-izados se asemejan en su primer componente de pendiente positiva. Sin embargo, en la componentede pendiente negativa la diferencia tiende a aumentar mientras se aleja del maximo central, igual a361.67nm en el MC e igual a 362.38nm en el MP.

50

En la figura (33) se superponen las graficas de las observaciones de los espectros enmodo MC y MP normalizadas a su maximo de emision. Cada uno deestos modos presentaun maximo central distinto. En el modo Continuo el led UV alcanza su maximo central en361.67nm y presenta un Ancho de Banda Medio (FWHMBW, por sus siglas en ingles) iguala 7nm, de 359 a 366 nm. Para el modo Pulsado se tiene un maximo central en 362. 38nm yun Ancho de Banda Medio igual a 8nm, de 359 a 367 nm.

A partir de la figura (33) es evidente una diferencia entre lasemisiones de los modos encuestion. La diferencia entre la emision de los modos aparece despues de los 359nm y seacentua conforme la longitud de onda incrementa. Ası mismo, las inflexiones del espectroen MC, como lo es en 364.50nm la mas pronunciada, tienden a desaparecer en el espectroen MP. En consecuencia, el espectro en MP es mas ancho, por 1nm, y mas suave que el delMC.

IV.b.2. Modo Monocromatizado del led UV

La fuente de luz UV utilizada en este trabajo es un led tipo chip de NICHIA corp. y,como se mostro en la subseccion anterior (IV.b.1.), tiene un Ancho de Banda Medio igual a7nm. Ademas, el led UV emite desde una longitud de onda de 345nm a los 390nm como sepuede apreciar en la figura (33) de la subseccion mencionada. Aunque el intervalo espectralde trabajo del led UV sea relativamente estrecho, es posibletener una fuente de luz UVcon un ancho de banda medio (FWHMBW) mas reducido y de frecuencia sintonizable si seemplea un monocromador para procesar la luz proveniente delled.

Esta monocromatizacion se alcanza al colocar un monocromador antes del espectrometro,tal y como se ilustra en la figura (23.a) de la subseccion (III.c.3. ). Dicho monocromador se-lecciona la longitud de onda y es esta radiacion la que se lleva al espectrometro o a bombeara la muestra de C1 para los subsecuentes estudios espectrales.

Como se ilustra en la subseccion (III.c.3. ), el arreglo de la figura (23.a) muestra el acop-lo de dos monocromadores. El primer monocromador sirve paraseleccionar una longitudde onda dentro del intervalo de la emision completa del led UV (ver fig. 33). A partir deesta seleccion se logra la monocromatizacion en seis longitudes de onda: 357.02, 358.90,362.02, 365.15, 367.02 y 368.90 nm, dicha monocromatizaci´on se muestra en la figura (34).El segundo monocromador tiene como funcion medir el espectro que se produce, con el finde caracterizar su ancho espectral e intensidad. A su vez, forma parte de el sistema opticodel arreglo experimental detallado en la figura (23.b) de la subseccion (III.c.3. ).

La monocromatizacion del espectro de emision del led UV dividido o monocromatizadoo discretizado se muestra en la figura (34) en donde se encimanlas seis distintas longitudesde onda ya mencionadas. Como es posible observar en esta figura el poder de resolucion delmonocromador seleccionador es de 2.5nm.

51

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

352 354 356 358 360 362 364 366 368 370 372

Am

plitu

d, u

.a.

λ, nm

λ = 357nmλ = 359nmλ = 362nmλ = 365nmλ = 367nmλ = 369nm

Figura 34: Espectro en modo Monocromatizado del led UV.Las seis curvas que se presentandentro del intervalo de emision del led UV corresponden al modo de operacion Monocromatizado.Cabe recordar que esta serie de espectros son la division o discretizacion del espectro completo delled UV en modo Continuo que se muestra en la figura (33).

IV.b.3. Modos Continuo, Monocromatizado y Pulsado de C1

Las soluciones organicas han sido estudiadas a partir de mediados del siglo XX [16],a pesar de que algunas de ellas fueron aisladas por primera vez alderredor de mitades delsiglo XIX [15]. Entre otras caracterısticas las soluciones organicas poseen gran capacidadde reemitir emision fluorescente al ser excitadas o bombeadas con luz UV. Las radiacionesreemitidas por estos procesos fluorescentes ocurren en el orden temporal de los nanosegun-dos. En este sentido, a partir de los estudios dependientes del tiempo de la fluorescencia esposible obtener informacion intrınseca de la molecula fluorescente en cuestion [12].

Entonces los tres distintos modos a los que es posible bombear a la solucion de C1: mo-do Continuo (MC), modo Pulsado (MP) y modo Monocromatizado (MM), pueden propor-cionar informacion sobre el comportamiento de la moleculaC14H17NO2 ante tal excitacion.

Los espectros de la solucion de C1 en los tres modos mencionados se muestran en lafigura (35). En esta figura es posible notar la diferencia de los tres espectros y sus simili-tudes. Una de las similitudes de estos tres espectros es que comparten su maximo centralsiendo igual a 437.62nm. Sin embargo, los anchos de banda medios (FWHMBW) difierenpara cada uno de los modos de operacion de la cumarina 1 (C1).Siendo los mas parecidosentre los espectros de los modos MM y MP, y distinguiendose con el FWHMBW del espec-tro en el modo Continuo. Ası, el modo MC se diferencia de los otros dos modos en ser unespectro mas estrecho el cual tiene unFWHMBW igual a 47.07nm de 420.93 a 468.00 nm

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375 400 425 450 475 500 525 550 575 600

Em

isió

n flu

ores

cent

e no

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izad

a, s

.u.

λ, nm

espectro MCespectro MMespectro MP

Figura 35: Espectros de la solucion de C1, en sus tres modos.Los modos Continuo, Pulsadoy Monocromatizado de la C1 se obtienen al excitar con los tre modos mencionados del led UV. Elmaximo central se comparte entre los tres espectros siendoigual a 437.62nm.

mientras que el modo MP consta de un Ancho de Banda Medio iguala 51.43nm de 417.41a 468.84 nm y el modo MM es algo mas ancho que el par anterior teniendo unFWHMBW

igual a 52.04nm de 416.60 a 468.64 nm.

Durante la toma de datos y experimentacion es imprescidible contar con un optimoaislamiento optico. El aislamiento optico se logra con lacamara oscura que se ilustra con elesquema de la figura (23.b) en la subseccion (III.c.3. ).

IV.c. Analisis y discusion

Una vez que se han presentado los resultados experimentalesa continuacion se detallanalgunas caracterısticas tanto de los pulsos de nanosegundos observados como de los estudiosespectrales obtenidos.

Las caracterısticas y comportamientos que se van a considerar en esta seccion tienenla finalidad de comprobar y demostrar el funcionamiento de las lamparas pulsadas de luzque en esta tesis se han desarrollado. Las pruebas mismas repercuten en la veracidad de losestudios espectrales.

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(a) (b)

Figura 36: Serie de observaciones del pulso de luz azul con lafuente Ledosol V.CH2: senal deexcitacion y CH1: senal optica. Polarizacion de la fuente Ledosol V: (a), 13.0V y (b), 13.5V.

IV.c.1. Fuente pulsada Ledosol V

A partir de la figura (36.a) es posible deducir un umbral para el cual el led Azul comienzaa emitir de manera pulsada. Estos pulsos de luz son posibles debido al acoplo logrado entrelos circuitos COR y CFD que constituyen a la Ledosol V.

(a) (b)

Figura 37: Serie de observaciones del pulso de luz azul con lafuente Ledosol V.CH2: senal deexcitacion y CH1: senal optica. Polarizacion de la fuente Ledosol V: (a), 14.0V y (b), 17.0V.

El resto de las observaciones mostradas en las figuras (36) y (37) demuestran la exis-tencia de dos compoentes temporales dentro de la emision misma del led UV. La primeraemision es mas sensible y el retraso es menor, mientras quela segunda emision de mayor re-tardo se presenta con menor amplitud. Como es posible observar en las figuras referidas, las

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componentes van sobresaliendo conforme se aumente el voltaje de operacion de la LedosolV.

Por lo anterior podemos pensar que la Ledosol V tiene un pulsode luz compuesto dedos partes o componentes. La primer componente, con menos retraso que la segunda, tieneun FWHM igual a 12.0ns y es observada a partir de operar a la Ledosol V con 13.0V depolarizacion. La segunda componente se observa∼25ns despues de que la primera emerge.El pulso completo, que es posible apreciar desde que la Ledosol V se polariza con 13.5Vsegun la figura (36), tiene un FWHM que no alcanza los 50ns. Ademas, como es propio delcomportamiento de los transistores, este pulso presenta saturacion. La saturacion de las doscomponentes del pulso se confirma en la serie de observaciones mostradas en la figura (37),en las cuales se manifiesta una saturacion gradual conformese eleva el voltaje de operacionde la Ledosol V.

IV.c.2. Fuente pulsada Ledosol UV

Durante las observaciones del pulso ultracorto devuelto por la lamapara Ledosol UV sedistingue un intervalo reducido de optimizacion. Dicho intervalo abierto se ubica ente 515Vy 520V del voltaje de operacion del GPC. La duracion del pulso a su altura media o FWHMen este intervalo no rebasan los 14ns pero tampoco disminuyepor debajo de los 12ns. En lafigura (38) se aprecia dicho intervalo optimo y un comportamiento lıneal en sus vecindades.

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495 500 505 510 515 520 525 530 535 540 545

FW

HM

, ns

Voltaje, V

Figura 38: Optimizacion de la lampara Ledosol UV.Las observaciones mostradas se obtuvieronpolarizando con -0.70kV al fotomultiplicador R928 del sistema de medicion esquematizado en lafigura (24.a) y utilizando el arreglo experimental de la figura (23.a).

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Cabe destacar que para voltajes por debajo de los 500V el pulso devuelto por la LedosolUV disminuye no en duracion sino en amplitud. Es decir, paravoltajes menores que 490Vel pulso optico desaparece porque la polarizacion de los transistores ZTX415 no devuelvenla corriente necesaria para activar al led UV de la fuente de luz Ledosol UV.

IV.c.3. Emision y espectros del led UV y de la C1

La aplicacion de la luz UV en los diferentes modos Continuo,Pulsado y Monocrom-atizado sobre la solucion de Cumarina 1 para hacerla fluorescer, presentan caracterısticasimportantes. A continuacion se resumen las primordiales.

En primera instancia se comprueba el caracter lineal que tiene el fenomeno de fluores-cencia de la Cumarina al menos en el intervalo de estudio, 357a 369 nm de excitacion UV.Lo anterior se verifica en la figura (39) en la que se muestra sinnormalizar la fluorescenciade la C1 a partir de ser excitada con cada uno de las longitudesde onda seleccionadas delled UV en el modo Monocromatizado, las cuales se pueden apreciar en la figura (34) de lasubseccion (IV.b.2).

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2

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380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

Am

plitu

d, u

.a.

λ, nm

λ = 357nm λ = 359nm λ = 362nm λ = 365nm λ = 367nm λ = 369nm

Figura 39: Comportamiento lineal de la emision de la Cumarina 1.Los espectros mostradosse obtuvieron polarizando con -0.90kV al fotomultiplicador R928 esquematizado en la figura (24.a)y utilizando el arreglo experimental de la figura (23.a). Tambien se polariza el circuito RLED, es-quematizado en la figura (14), con 30.0V (74.1mA).

Ası, segun la figura (39) la emision por fluorescencia de laC1 sucede en forma pro-porcional a la amplitud de la luz que la excita. Por otra parte, una vez que se normalizan

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los espectros de cada una de las emisiones de la C1, siendo excitada con el led UV en mo-do Monocromatizado, se resuelve en que la fluorescencia no sufre ningun cambio ni en elmaximo central, igual a 437.62nm, ni en el Ancho de Banda Medio (o FHMBW), igual a52.04 de 416.60 a 468.64 nm. Esto se puede apreciar en la figura(40).

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Em

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n flu

ores

cent

e no

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a, s

.u.

λ, nm

λ = 357nm λ = 359nm λ = 362nm λ = 365nm λ = 367nm λ = 369nm

Figura 40: Normalizacion de los seis espectros de emision de la C1.Los diferentes modos de laMonocromatizacion son identicos en su fluorescencia.

Los espectros de las observaciones normalizadas al maximode emision se muestranen la figura (40). Estos espectros advierten un comportamiento usual de emision por flu-orescencia. Es decir, la independencia de la emision con lalongitud de onda que exci-ta es evidente. El mini-monocromador DMC101 permite resolver hasta 1.66nm mientrasque el monocromador Spex-Horiba alcanza hasta centesimasde nanometro. Este segundomonocromador se posisiona con 500µm en la rendija de entrada y 300µm en la rendija desalida.

Algunas caracterısticas que se encuentran en los espectros de la figura (40) se puedenencontrar en un libro de texto acerca de fluorescencia. Por ejemplo, los espectros se ubicana longitudes de onda mayores que las propias de excitacion.En otras palabras, cumplen elcorrimiento de Stokes de que la fluorescencia ocurre con energıas tipicamente menores quelas de absorcion (excitacion). Ademas, en general el espectro de emision por fluorescenciaes tıpicamente independiente de la longitud de onda de excitacion [9].

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V. CONCLUSIONES

En esta seccion final, se hace un sumario del trabajo realizado y se sintetizan las con-clusiones de mayor importancia alcanzadas en este mismo.

Antes de iniciar las conclusiones conviene recordar que la invencion de los LED’s opti-mizados para radiar en el UV tomo cerca de 3 decadas a partirde los anos 60’s, tal y comose extendio en el capıtulo (II ). La innovacion de estos componentes electronicos involu-cro el desarrollo de la ciencia y la ingenieria para lograr las tecnicas optimas de depositode materiales y la busqueda de los compuestos utiles para elevar la potencia de radiacion.Tambien, y por otra parte, la patente, los conflictos y las empresas culpables o no de quehoy en dıa sea posible conseguir, en un lapso no mayor a 15 dıas, uno de estos LED’s a uncosto que oscila alderredor de USD$100.00. Estas fuentes novedosas de luz resultan ser losuficientemente versatiles que es posible utilizarlas en estudios de fluorescencia y, mas aun,al aprovechar su portabilidad y su pronta respuesta electrica es posible utilizarla en estudiosen modo pulsado tal y como el presente trabajo de tesis ha mostrado.

Las componentes electricas y electronicas involucradasen la construccion de las fuentespulsadas se acoplan y se soldan segun los disenos mostrados en el capıtulo (III ). El resultadode dichos disenos es la construccion de dos fuentes pulsadas: la Ledosol V y la Ledosol UV,que radian en el azul y en el Ultravioleta, respectivamente.Estas fuentes fueron probadastanto para obtener las primeras observaciones como para encontrar las condiciones optimasde pulsado e intensidad de emision.

La fuente azul (470nm), o Ledosol V, se hizo pulsar con el Circuito Oscilador por Re-lajamiento ilustrado en la figura (11). A diferencia de lo quese esperaba, esta fuente pro-dujo pulsos ultracortos de 50ns de duracion a la altura media de su maximo (full with athalt maximum, FWHM). Por otro lado, la fuente ultravioleta (461.67nm), o Ledosol UV, selogro pulsar con el arreglo del circuito Generador de Pulsos de Corriente elevada ilustradoen la figura (13). Esta fuente, la cual cuenta con un par de transistores NPN que operan enmodo de avalancha de transistor, produjo pulsos de menor duracion que la azul. Los pulsosobservados en el laboratorio al operar la Ledosol UV midieron 12.00ns de duracion a laaltura media de su maximo (FWHM).

Las mediciones y resultados obtenidos a partir de las fuentes pulsadas de luz fueron justolos indicadores para que la Ledosol UV se aplicara a estudios de fluorescencia. Los estudiosde fluorescencia llevados a cabo tambien contaron con el estudio del espectro de emisionde la misma fuente semiconductora utilizada, el led UV (o LED-UV de Nichia corp.). Lamolecula organica seleccionada para los estudios de fluorescencia fue la cumarina-1 (C1),

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disuelta en etanol. Tanto los estudios de emision del led UVcomo los de fluorescencia,fueron comparados con un par mas de estudios. Estos estudios no son mas que el resultadode lograr tres diferentes modos de operacion del led UV, y por ende, tres distintos modosde excitar a la cumarina-1. Los tres modos distintos de operacion del led UV son: el modoContinuo (MC), el modo Pulsado (MP) y el modo Monocromatizado (MM). Brevemente,podemos resumir que el modo MC fue logrado al hacer circular una corriente directa (DC)sobre el led UV. El modo MP no es mas que el pulso de luz UV que emite la fuente LedosolUV. Y, por ultimo, el modo MM se obtuvo al colocar monocromador pequeno inmediate-mente despues de el led Nichia operando en modo MC.

Los espectros obtenidos del led UV produjeron algunos comportamientos inesperados.Por ejemplo, el maximo de emision en el modo Pulsado se recorre 0.71nm hacia la derechadel espectro en el modo Continuo. O sea, el espectro en modo Continuo resulta ser masenergetico que el espectro en el modo Pulsado. Tambien, seobserva un ensachamiento delespectro en modo Pulsado igual a 1.00nm con respecto al espectro en modo Continuo. El an-cho de banda a la altura media de su maximo (FWHMBW) para el espectro en modo Contin-uo es igual a 7.00nm. En el modo Monocromatizado se aislaron seis sintonias distintas. Lasseis sintonias del led UV operando en el modo Monocromatizado fueron: 357.02, 358.90,362.02, 265.15, 367.02 y 368.90nm. Tal y como se esperaba, elFWHMBW de cada unade estas sintonias fue de 2.5nm, cuyo valor iguala a la resolucion del mini-monocromadorutilizado para lograr el modo MM.

Gracias al dominio de los tres modos de operacion del led UV se pudo excitar a lasolucion de C1 y llevar a cabo los estudios de fluorescencia.Por tanto, en las medicionesespectrales, con un error menor a la centesima de nanometro, resulta que el maximo espec-tral de la cumarina-1 no se recorre bajo ninguno de los tres modos de excitacion. Ası, elmaximo de fluorescencia de la cumarina-1 preparada (5×10−3molar de C1 + etanol) fueigual a 437.62nm.

A direfencia del maximo central de emision de la C1, elFWHMBW de cada uno de losmodos de emision de esta misma solucion organica si se distinguen en intervalos y formas.En el modo MC el espectro de la C1 resulta tener unFWHMBW igual a 47.07nm, lo que lohace de los tres el mas angosto. En el modo MM el espectro de laC1 tiene comoFWHMBW

un valor igual a 52.04nm. Finalmente, elFWHMBW del espectro de la C1 en el modo MPtiene un valor igual a 51.43nm.

Una de las propiedades importantes de las fuentes pulsadas construıdas en el presentetrabajo es la frecuencia de pulsado. El cuidado que se tuvo de hacer las fuentes de altafrecuencia (del orden de kilohertz) es por la simple razon de obtener la mayor luminoscidadpromediada en el tiempo sin perder el pulsado de nanosegundos. Para el caso de Ledosol Vsu frecuencia de pulsado mas eficiente se ubica dentro del intervalo que va de 15 a 30 kHz.Mientras que la Ledosol UV alcanza eficiencia durante su operacion dentro del intervalo defrecuencias desde 10 a 20 kHz.

El trabajo instrumental culmina en un par de lamparas pulsadas de luz de facil transporte,las cuales constan de una carcasa con un volumen no mayor a unlitro y de un peso menora 1/2 kg. Cada una de las carcasas contienen en su interior loscircuitos de operacion de

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cada una de las fuentes. Entre lo que podemos mirar en el interior de estas carcasas estan lastarjetas impresas de los circuitos de operacion y las componentes soldadas que constituyena cada uno de estos circuitos, las conexiones para la aplicacion de voltajes de polarizacion,entradas y salidas de senales, y las aberturas para el librepaso de la radiacion emitida porel led azul o el led UV.

La fuente Ledosol UV encuentra aplicaciones en los estudiosde fluorescencia ya ex-aminados en el capıtulo (III ). Sin embargo, el FWHM de 12.00ns de duracion resulta serinsuficiente para competir con los tiempos de vida media de unestado excitadoS1 durantela fluorescencia de una solucion. Ya que estos tiempos de relajacion son tipicamente deunidades de nanosegundos.

Actualmente la fuente Ledosol UV tiene algunas aplicaciones directas. Por ejemplo, seha aplicado en estudios de la dinamica de celulas reproductoras de ratones y de erizos. Estosestudios parten del hecho de que los iones de calcio producidos durante el movimiento deestas celulas emiten fluorescencia al ser excitadas con luzUV. Una segunda aplicacion dela luz UV pulsada que produce la Ledosol UV se encuentra en el ´area de la corrosion delos aceros. Estos aceros pertenecen a ductos dentro de los yacimientos de petroleo o de gas.Actualmente existe un recubrimiento que trata al acero contra la corrosion el cual duranteel proceso de su aplicacion debe ser banado con luz UV. La energıa e intensidad de la luzUV realiza un efecto de maduracion en el recubrimiento, o sea, lleva al equilibrio termicotanto a la superficie del ducto como al material aplicado. Estos son solo dos de los muchosejemplos en los cuales la fuente que se ha desarrollado puedecontribuir en el futuro.

La fuente pulsada Ledosol UV tambien tiene posibles mejoras y aplicaciones a futuro.Entre las posibles mejoras esta la de hacer pulsar la luz UV amayores frecuencias, del ordende 30, 50kHz o mas. Estas frecuencias elevadas pueden suplir la baja lumniscencia prome-diada en el tiempo, debido a unduty cycle(D) tan bajo como 0.0002 aproximadamente. Porotro lado, los pulsos que produce la fuente Ledosol UV practicamente tienen una duracionde una decena de nanosegundos (12.00ns). Al respecto, existe la posibilidad de poder re-ducir el tiempo de duracion (FWHM) de estos pulsos lo cual, automaticamente, ampliarıala gama de aplicaciones de la misma Ledosol UV. La reducciondel FWHM temporal delos pulsos de nanosegundos se resolverıa con la optimizacion de los valores del inductor L,construıdo en el laboratorio e ilustrado en la figura (13).

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