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¿Qué se entiende por luminiscencia?


 
La física asigna a la luz dos naturalezas esenciales: Una naturaleza de ondas y una naturaleza de partículas.

La naturaleza de partículas implica que la luz se compone de paquetes de energía, llamados cuantos de luz o fotones. La energía contenida en estos fotones se refleja en su longitud de onda - la distancia espacial entre depresión y cresta.

Una longitud de onda corta corresponde a un contenido alto de energía, una longitud de onda larga a un contenido de energía bajo.

Si la luz incide sobre la materia, pueden ocurrir diferentes acontecimientos:
  • El fotón pasa a través del material sin obstáculos y en la misma dirección (transmisión, por ejemplo: la luz incide sobre vidrio)
  • El fotón incide sobre un átomo y se refleja de vuelta con la misma energía en una dirección diferente (reflexión, por ejemplo: la luz incide en un espejo)
  • El fotón es absorbido por la materia. La energía del fotón se transfiere de ese modo a la materia y lleva a un aumento del contenido de energía. Esto puede ocurrir en forma de calor y / o estimulación eléctrica de la materia.
La luminiscencia es la emisión de fotones (luz) que se generan en el regreso de los electrones del estado excitado al estado energéticamente inferior.

Los electrones
pueden ser excitados "desde afuera" en diferentes formas, por ejemplo, por
  • corriente eléctrica (electroluminiscencia)
    por ejemplo, con LEDs: transición desde la banda de valencia a la banda de conducción
  • bombardeo con electrones (catodoluminiscencia)
    por ejemplo, tubo de rayos catóticos - CRT
  • Luz, o sea, bombardeo de fotones (fotoluminiscencia)
Aquí, sin embargo, hay que distinguir entre fluorescencia y fosforescencia. Se habla de fluorescencia cuando la emisión de fotones por el material excitado decae inmediatamente o dentro de unos pocos nanosegundos después del final de la estimulación. De fosforescencia, por el contrario, cuando la emisión de luz continúa después del rango de nanosegundos hasta el rango de milisegundos, e incluso puede extenderse en el segundo.

Calor (termoluminiscencia)

¿Qué es un efecto "stokes"?
Si se aplica radiación electromagnética (luz desde ultravioleta a infrarroja) a un objeto, una parte de la luz es absorbida.

Una gran parte de la luz que es absorbida se convierte en calor (tal como una superficie de color negro absorbe más luz que, por ejemplo, comparativamente una superficie blanca, y por lo tanto, tras la irradiación con luz se vuelve más caliente).

La luz es absorbida principalmente por moléculas. Por medio de esta energía adicional, las moléculas son incitadas a moverse más rápido, esto es, oscilan más rápido, lo que va de la mano con un aumento de la temperatura.

En algunos materiales (por ejemplo, en los llamados "tierras raras"), la energía de la luz (de los fotones) se utiliza para "levantar" electrones, que se mueven alrededor del núcleo en una banda de energía más baja pero más estable (órbita de electrones interna), a una banda de energía más alta, pero menos estable (órbita de electrones externa).
 
 
Allí, los electrones permanecen poco tiempo, antes de regresar  a través del desvío de órbitas intermedias, a su estado base estable.

La energía que se libera de esta manera se entrega a estos en forma de radiación electromagnética (fotones = luz), o en un cristal (como es el caso de las tierras raras) en forma de los llamados fonones (vibraciones de la retícula); de esta forma, se incita al cristal a vibraciones más fuertes.

Los fotones así generados (fotones secundarios) poseen, en comparación con los fotones (fotones primarios) que se utilizan para excitar a una energía más baja, una energía más alta.

Los fotones (fotones primarios), que tienen una energía más alta (es decir, luz con una longitud de onda más corta) se utilizan entonces para hacer "brillar" un cuerpo.

Los fotones emitidos desde el objeto (fotones secundarios) poseen, en comparación con el fotón primario, una energía inferior; la longitud de onda de la luz emitida es así más larga.

Si una longitud de onda emitida por un cuerpo irradiado es más larga que la longitud de onda utilizada para la irradiación, se produce el llamado efecto "stokes".

La emisión de radiación secundaria se lleva a cabo con retardo de tiempo, la longitud del retardo de tiempo depende del tiempo de residencia de los electrones en las órbitas de los electrones.
 

 
¿Qué es un "efecto anti-Stokes"?
Se habla de un "efecto anti-stokes" cuando una radiación electromagnética, que incide sobre un objeto y es absorbida por esta, es de longitud de onda más larga que la radiación electromagnética emitida desde el objeto.

 
l = longitud de onda de una radiación electromagnética (por ejemplo, luz). La longitud de onda representa un tramo de onda, es decir, la distancia de dos máximos o mínimos adyacentes.
 
La longitud de onda de la radiación electromagnética en el rango visible es de aproximadamente entre 400 nm y 700 nm.

En contraste con el efecto Stokes, aquí se necesitan varios fotones de radiación primaria para excitar los electrones.

Un fotón lleva al electrón, por ejemplo, a la órbita intermedia 1, otro fotón lo levanta a otra órbita más lejana, y un tercer fotón lo levanta finalmente a la órbita externa.

Dado que tanto en las intermedias como en la exterior se trata de órbitas inestables, los electrones duran sólo un tiempo relativamente corto en estas órbitas antes de que vuelvan a su estado básico.

Esta llamada recombinación normalmente está en el rango nano, micro y milisegundos.
 
¿Qué es el "bombeo óptico"?
Ya que en el "efecto anti-Stokes" ya que para levantar un electrón a una órbita más externa son necesarios varios fotones, se habla también del llamado proceso de bombeo.

Durante el "bombeo", se elevan los electrones con la ayuda de fotones primarios de una órbita intermedia a la siguiente,  o sea, casi hacia arriba a una órbita más externa.

Cuanto más afuera está la órbita de electrones, más energía potencial tiene el electrón.

Su nivel de energía es mayor. Cuanto mayor sea la diferencia entre dos niveles de energía, mayor es la energía del fotón, que genera el electrón en el retorno a su nivel estable.


 
 
Qué son los "
metales de tierras raras"?
Metales de las tierras raras son elementos químicos del tercer grupo de la Tabla Periódica;

los lantánidos (17 elementos) se cuentan también entre las tierras raras.

Entre otros (por ejemplo, las tierras raras se necesitan para imanes permanentes), los metales de tierras raras también tienen propiedades espectroscópicas específicas.

En contraste con los semiconductores (la brecha de banda, esto es, la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción de un semiconductor depende de la temperatura, por lo cual también de longitud de onda emitida por el cristal semiconductor), las tierras raras muestran en un cuerpo sólido (cristal) un espectro de energía discreto (nivel  de energía definido en la capa de electrones).

Por lo tanto, para la absorción de radiación electromagnética se requiere una determinada, dependiente de la distancia del nivel de energía, longitud de onda.

La transmisión de energía óptica (hacia afuera) se produce, de la misma forma, en longitudes de onda discretas, predeterminadas por el cristal.

Como
importantes representantes de las propiedades ópticas de tierras raras podrían mencionarse:

Y 39      Itrio               
(entre otros, utilizado para fluorescentes y LEDs)
        
y los siguientes representantes de los llamados lantánidos:
Pm 61 Prometio (utilizado para dígitos luminosos)
Eu 63 Europio (se utiliza en LEDs y fluorescentes)
Gd 64 Gadolinio (utilizado para fluorescentes verdes)
TB 65 Terbio (utilizado para fluorescentes)
Tm 69 Tulio (fluorescentes para TV)
Yb 70 Iterbio (fluorescentes para TV)
             
Mediante dopaje selectivo de cristales de tierras raras, se pueden influenciar y cambiar sus propiedades ópticas.

Así, por ejemplo, Erbium utiliza como un denominado activador. Este activador actúa casi como un "catalizador".

Comúnmente, en los cristales de tierras raras se utiliza para prueba a radiación electromagnética en el rango infrarrojo (IR).

Las líneas de absorción a menudo se encuentran en 980 nm y 940 nm, pero también son posibles líneas de absorción en el rango visible (por ejemplo, en 640 nm) o en el rango UV (por ejemplo, 365 nm o 385 nm).

En la práctica, en la emisión de fotones a menudo aparecen el "efecto stokes" y el "efecto anti-stokes".


 
La experiencia demuestra que hay extraordinarias diferencias entre la potencia óptica necesaria para iniciar el proceso y la potencia óptica realmente emitida por el cristal.

La potencia óptica requerida para la excitación en la gama de infrarrojos es de aproximadamente 10 mW (por ejemplo, 980 nm), la emisión entonces se encuentra en el rango de longitud de onda visible en algunos µW (anti-stokes); en el rango IR la emisión puede, sin embargo, llegar también de la gama mW (stokes).

Una parte de la radiación primaria se utiliza primero para la excitación del cristal, los fotones por lo tanto, se utilizan para la producción de fonones, de modo que se aumenta la vibración de retícula (cristal).

En el siguiente paso, puede aparecer la producción de fotones (luz) por fonones (vibraciones de la retícula).


 


¿Qué es un "UP converter"?
Por "up-converter" se entiende, en sentido óptico, la conversión de la luz (del rango UV al rango IR) de una longitud de onda más larga (es decir con fotones de energía más bajos) a una longitud de onda más corta (los fotones entonces tienen más energía).

Esta ganancia de energía se realiza por "bombeo óptico", es decir, para emitir un fotón secundario, el llamado converter up debe absorber varios fotones primarios, y tantos hasta que la cantidad de energía de fotones secundarios se haya alcanzado (o el electrón se haya levantado a la capa de electrones exterior).

También se conoce por el llamado efecto anti-stokes.
 

 
 
¿Qué es un "DOWN Converter"?
En óptica, se habla de un "down converter" cuando el fotón secundario generado por un fotón primario tiene menos energía.

Para la creación de un fotón secundario  sólo se necesita un fotón primario. La diferencia de energía, por ejemplo, se transporta a la retícula del cristal del down converter (como aumento de fonón de la vibración de retícula).

El proceso en el down converter se explica por el efecto de stokes.

 



 

¿Qué es un
"tiempo de decaimiento" o una "constante de tiempo"?
Por tiempo de decaimiento o tiempo de relajación se entiende en la óptica el tiempo
necesario para que un objeto, desde el estado excitado puede volver al estado básico.

Una medida para ese tiempo necesario la representa la llamada constante de tiempo t. La constante de tiempo describe el proceso de cuánto tiempo se necesita hasta que un un proceso - partiendo del estado excitado - alcanza aproximadamente un factor de 1/2.71 y/o 1/e (con e como el de la llamada cifra de Euler).

El tiempo de medición constante se utiliza por lo general para los procesos que se extinguen de manera exponencial.

Se ha demostrado en la práctica que tanto el efecto Stokes como el efecto anti-Stokes, los siguientes procesos de excitación decaen exponencialmente en la primera aproximación.


 
¿Qué se entiende por "pigmentos de seguridad"?
Los pigmentos de seguridad son pigmentos luminiscentes inorgánicos (fosforescentes, por lo fotoluminiscentes), a menudo, cristales de tierras raras, pero también sulfuros de zinc, que por dopaje individual tienen propiedades ópticas muy específicas.

Esta "huella digital óptica" se puede utilizar como una característica de seguridad.
 
¿Qué se entiende por "tamaño de partícula"?
Como tamaño de partícula en el contexto de los cristales de tierras raras se entiende el tamaño de la partícula existente del cristal después de la operación de procesado (por ejemplo, molienda o condensación) disponible del cristal.

Este oscila generalmente entre 300 nm y 20 µm de diámetro.

Cabe señalar que con la disminución del tamaño de partícula también se afecta la eficiencia con respecto al efecto anti-Stokes y Stokes. Por lo general, en la práctica se utilizan tamaños de partícula de 5 µm a 10 µm.

La elaboración de partículas de tamaño inferior a 1 µm es dificultosa y por lo tanto relativamente cara. Debido al tamaño de grano extremadamente pequeña (a veces menor de un micrómetro), los cristales de tierras raras elaborados de esta manera también se conocen como LNP, nanopartículas luminiscentes.
 
 
¿Qué se entiende por "autenticación del producto"?
(Prueba de pigmentos de seguridad)
Además de los campos clásicos de la aplicación de los cristales de tierras raras en imanes permanentes,  equipos de rayos X, pantallas de televisión, y LEDs, pantallas de plasma y LCD y tubos fluorescentes, una serie de estos lantanoides, e itrio, también se utilizan para la autenticación de productos.

Los cristales de tierras raras son dopados según necesidad (por ejemplo, con el erbio-activador), con lo que cambian sus propiedades ópticas.

La respuesta óptica se convierte en un producto específico y por lo tanto en cierto, en una "huella digital óptica", que sólo puede reproducirse con dificultad, si no se cuenta con respectiva "receta".

A través del
dopaje de cristales de tierras raras se puede influir tanto en la longitud de onda de excitación como en el espectro de emisión y la constante de tiempo, es decir, la respuesta retardada a un empuje primario (impulso de excitación óptica).

Una característica importante de los cristales de tierras raras es que normalmente soportan temperaturas de hasta 800 ° C.

Además, estos cristales no son tóxicos, por lo tanto se los puede aplicar en una amplia serie de áreas.

Estos pigmentos inorgánicos son extremadamente estables respecto a la luz, es decir, las propiedades de luminiscencia se mantienen durante un período de tiempo más largo.

Entre tanto, se dispone de una serie de dispositivos de prueba que permiten un examen de los cristales de las tierras raras, tanto INLINE (serie LUMI-INLINE), OFFLINE in situ (serie LUMI-MOBILE) como también en el laboratorio (serie LUMI-LAB).

La concentración de los cristales de tierras raras con respecto al excipiente (host) puede decaer hasta la gama ppm (dependiendo del tipo de cristales de tierras raras).
 
¿Cómo se pueden probar cristales de tierras raras?
Ya que los cristales de tierras raras actúan tanto como converter UP como también como converter DOWN, como prueba puede servir el espectro secundario.

Por lo demás, se puede utilizar como prueba la resonancia temporal (relajación) de la radiación secundaria.

Ambos efectos (espectro secundario y proceso de decaimiento) proporcionan en una cifra una prueba segura, también para en concentraciones muy bajas.
 
¿De cuáles dispositivos se dispone para la prueba?
El dispositivo de prueba más sencillo y económico sería el llamado pen láser (tipo LUMI-LP-IRL / UV / VIS 3B).

Este tiene una luz láser de longitud de onda de 980 nm con una potencia de algunos 10 mW. La luz láser está enfocada por la salida pen en una distancia de 10 mm a 20 mm.

La luz IR es convertida en la gama visible (up converter) por la existencia de un cristal de tierras raras (suponiendo que este absorbe la radiación de 980 nm) y, a consecuencia del dopaje, proporciona luz azul, verde, amarilla, naranja o roja.

Sin embargo, debe estar claro que aquí se utiliza una radiación primaria, que se encuentra en la gama 3B de clase láser. El pen láser es un producto de la clase láser 3B.

Un producto de la clase láser 3B sólo debe ser utilizado en conjunto con gafas de protección láser adecuado (por ejemplo, tipo LUMI-SG-IRL-3B). Por lo demás, el uso sólo está permitido en espacios que  que están protegidos del exterior por las correspondientes advertencias y alerta de luz. Con el pen láser se pueden probar concentraciones de cristales de tierras raras hasta aproximadamente 50 ppm (dependiendo del cristal).
 
Menos problemática es la prueba de tierras raras con los dispositivos LUMI-Mobile. Estos utilizan LEDs IR con una longitud de onda (longitud de onda media) de aproximadamente 940 nm.

Los dispositivos son totalmente inofensivos para el ojo humano. (LEDs similares también se utilizan en los controles remotos de televisores y sistemas de audio). En los dispositivos LUMI-Mobile, la constante de tiempo de la curva de decaimiento de los cristales de tierras raras se utiliza como un criterio. De este modo se pueden probar concentraciones hasta el rango 1 ppm.
Durante la producción de los materiales provistos de cristales tierras raras debe controlarse la concentración de los cristales de tierras raras.
Para eso sirve la serie LUMI-INLINE, la que, además de la constante de tiempo, determina la intensidad (y por tanto la concentración) de los cristales de tierras raras en el material de soporte. Se dispone tanto de señales analógicas como de digitales.

Además, el dispositivo de prueba también se puede conectar a una interfaz serial (RS232, USB o Ethernet). Un software especial de monitoreo le permite grabar los datos medidos.
Para la detección en el laboratorio, hay dispositivos que registran tanto el proceso de decaimiento (en la región IR) como el espectro de emisión en el rango visible (LUMI-LAB-IRL / VISIR-CL1). También hay dispositivos que reproducen el decaimiento temporal en el rango IR  nivel, así como su intensidad dividida en segmentos de longitud de onda de 700 nm a 1100 nm (LUMI-LAB-IRL / IR-CL1, patentado).

Ambos dispositivos de detección están en el rango de láser clase 1, que se logra mediante el uso de un proceso patentado especial.
 
Dispositivos de prueba para uso móvil
En los dispositivos LUMI-Mobile, se evalúa el decaimiento temporal de una muestra excitada ópticamente. Para eso se dirige hacia el objeto de prueba un pulso IR o un pulso UV.

Después de la terminación del pulso de excitación, la curva de decaimiento se registra y evalúa. Además, se determina la intensidad inicial del pulso de decaimiento.

 
LUMI-MOBILE-LAB-IR/IR
LUMI-MOBILE-LAB-UV/VIS

Parametrización de la constante de tiempo y la intensidad de hasta 31 productos. Estos se almacenan en un archivo en el PC les sirven a los dispositivos LUMI-MOBILE-QC (Quick Check) como parámetros para la especificación, así como también a los dispositivos LUMI-MOBILE-PT (Pocket Tester) para la especificación de un producto.

 
Software de interfaz de usuario Windows® LUMI-MOBILE LAB-Scope:

 
LUMI-MOBILE-QC-IR/IR
LUMI-MOBILE-QC-UV/VIS

Con este dispositivo se pueden almacenar hasta 31 productos que se pueden leer desde un archivo (los productos fueron determinados previamente por el dispositivo LUMI-MOBILE-LAB y luego almacenados en un archivo).

Después de la identificación de un producto, se produce tanto la respuesta acústica como una representación gráfica en la pantalla de visualización,   También en este caso se controla el comportamiento decaimiento del cristal de tierras raras.


Software de interfaz de usuario Windows® LUMI-MOBILE-QC-Scope:

 
LUMI-MOBILE-PT-IR/IR
LUMI-MOBILE-PT-UV/VIS


En contraste con el dispositivo LUMI-MOBILE-QC aquí se cuenta con un conjunto de parámetros.
 
Software de interfaz de usuario Windows® LUMI-MOBILE-PT-Scope:

 
LUMI-MOBILE-DA-IR/IR
LUMI-MOBILE-DA-UV/VIS


A diferencia de los dispositivos LUMI-MOBILE-QC y LUMI-MOBILE-PT, aquí no se buscan productos específicos, ya determinados previamente por el dispositivo LUMI-MOBILE-LAB.

Más bien, en general se busca una constante de tiempo, así como una concentración de un cristal de tierras raras, y de modo esto en todo el rango dinámico, esto es, de concentraciones muy bajas en el rango ppm hasta muy altas concentraciones.

Software accesorio: Software Windows® LUMI-MOBILE-DA-Scope

 
LUMI-MOBILE-JR-IR/IR
LUMI-MOBILE-JR-UV/VIS


 
La visualización se realiza mediante un LED de dos colores. El color verde indica que un cristal de tierras raras ha sido detectado, rojo, por el contrario, indica que no se encontró nada.

La señal óptica es asistida por una señal acústica.
También aquí, como en el dispositivo LUMI-MOBILE-DA, se busca en todo el rango dinámico.

Así pueden ser detectadas concentraciones muy bajas (en rango ppm) y concentraciones muy altas.

Software accesorio: Software Windows® LUMI-MOBILE-JR-Scope


LUMI-MOBILE-FIO-LAB-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-LAB-UV/VIS


El sensor de fibra óptica LUMI-MOBILE-FIO-LAB es una variante del dispositivo de LUMI-MOBILE-LAB, que es sustancialmente similar al modelo del dispositivo estándar.

Aquí sólo se modificó la óptica en función de una conexión de fibra óptica.


LUMI-MOBILE-FIO-QC-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-QC-UV/VIS


La versión de fibra óptica LUMI-MOBILE-FIO-QC tiene el mismo software que LUMI-MOBILE-QC, el hardware aquí, sin embargo, está equipado con una conexión de fibra óptica.
 

LUMI-MOBILE-FIO-PT-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-PT-UV/VIS


También en la versión LUMI-MOBILE-PT hay un modelo de fibra óptica LUMI-MOBILE-FIO-PT.

El software es el mismo que para la versión estándar LUMI-MOBILE-PT.



LUMI-MOBILE-FIO-DA-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-DA-UV/VIS


La versión LUMI-MOBILE-DA también tiene una variante de fibra óptica LUMI-MOBILE-FIO-DA.

Aquí también, el software es el mismo que en la versión estándar.
 
 
LUMI-MOBILE-FIO-JR-IR/IR
LUMI-MOBILE-FIO-JR-UV/VIS



La versión
LUMI-MOBILE-JR también tiene una variante de fibra óptica LUMI-MOBILE-FIO-JR disponible. Aquí también, la versión de fibra óptica está equipada con el mismo software que la versión estándar LUMI-MOBILE-JR.


Dispositivos de prueba INLINE
en los equipos de producción

LUMI-INLINE-IR/IR
LUMI-INLINE-UV/VIS

La versión LUMI-INLINE tiene dos salidas analógicas, que proporcionan información sobre la concentración del cristal de tierras raras. Además, 4 salidas digitales con los que se pueden almacenar hasta 15 productos.

Software accesorio:
Software Windows® LUMI-INLINE-Scope
Monitoring Software Windows® LUMI-INLINE-MONITORING-Scope


LUMI-INLINE-FIO-IR/IR
LUMI-INLINE-FIO-UV/VIS

En la versión LUMI-INLINE también se cuenta con un tipo de fibra óptica LUMI-inline-FIO. Se pueden elegir tres fuentes de luz: dos versiones en la gama IR, en este caso, un tipo IR-LED , un tipo IR-LD y una versión UV.

Software accesorio:
Software Windows® LUMI-INLINE-Scope

Equipos de prueba para el laboratorio


Con estos dispositivos de laboratorio se posibilita representación del espectro secundario en el rango visible .

Además, con LUMI-LAB-IRL / VISIR se efectúa un registro de los tiempos de decaimiento en el rango IR y con LUMI-LAB-UV / VIS, una representación de las curvas de decaimiento en el rango espectral visible.


LUMI-LAB-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-UV/VIS-CL1

Software accesorio:
Software Windows® LUMI-LAB-Scope
 

LUMI-LAB-8-IRL/IR-CL1
LUMI-LAB-8-IR/IR


En esta versión, se examina tanto el espectro secundario como tiempo de decaimiento temporal en el rango IR.

El rango de IR se divide en 8 secciones. Aquí se determina tanto la constante de tiempo como también la intensidad de la radiación secundaria según cada subrango (proceso presentado para patente).


Software accesorio:
Software Windows®  LUMI-LAB-Scope

Aquí se mide en el rango de longitud de onda de 700 nm a 1100 nm con ocho detectores.

Cada detector controla una ventana de medición de 50 nm. Se determina la intensidad inicial C1 y la constante de tiempo t del respectivo pulso de decaimiento.






LUMI-LAB-16-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-16-IR/VISIR
LUMI-LAB-16-UV/VISIR


Con estos tipos de LUMI-LAB se evalúan el espectro visible IR y el espectro visible.

En total se dispone de 14, con los que se puede cubrir un rango de longitud de onda de 400 nm hasta aproximadamente 1100 nm.
 
Software accesorio:
Software Windows®  LUMI-LAB-Scope
Aquí se evalúa la intensidad y la constante de tiempo en el respectivo rango de longitud de onda.


 


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