LA LUZ- MAGNITUDES Y UNIDADES DE MEDIDA Dado que no toda la luz emitida por una fuente llega al ojo y produce sensación luminosa, ni toda la energía que consume, por ejemplo, una bombilla se convierte en luz. Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y para ello definiremos nuevas magnitudes: flujo luminoso, intensidad luminosa, iluminancia, rendimiento o eficiencia luminosa.

Flujo luminoso Potencia: energía medida en watts (W: J /s ) Lumen: empíricamente se demuestra que a una radiación de 555 nm de 1 W de potencia emitida por un cuerpo negro le corresponden 683 lumen. Flujo luminoso (F): se define como la potencia (W) emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible expresado en lumen (lm). A la relación entre watts y lúmenes se le llama equivalente luminoso de la energía y equivale a: 1 watt-luz a 555 nm = 683 lm

Intensidad luminosa Se define: intensidad luminosa, al flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela (cd). Unidad: candela (cd)

Iluminancia Se define iluminancia como el flujo luminoso recibido por una superficie. Su símbolo es E y su unidad el lux (lx) que es un  lm/m2. Unidad: lux (lx)

Rendimiento luminoso o eficiencia luminosa Ya mencionamos al hablar del flujo luminoso que no toda la energía eléctrica consumida por una lámpara (bombilla, fluorescente, etc.) se transformaba en luz visible. Parte se pierde por calor, parte en forma de radiación no visible (infrarrojo o ultravioleta), etc.

Lámparas Incandescentes Las lámparas incandescentes utilizan una tecnología de 100 años de antigüedad, que consiste en la generación de luz por el paso de una corriente eléctrica a través de un pequeño filamento. Este filamento se pone en estado blanco-incandescente e irradia energía en todas direcciones. Como consecuencia la luz visible generada representa solo un 15% de la energía consumida, el 85% restante de energía, es calor disipado! Entre los parámetros que sirven para definir una lámpara tenemos las características fotométricas: la intensidad luminosa, el flujo luminoso y el rendimiento o eficiencia. Además de estas, existen otros que nos informan sobre la calidad de la reproducción de los colores y los parámetros de duración de las lámparas.

Tipos de lámparas Lámparas no halógenas: Rellenas con un gas inerte -Se ha realizado vacío en su interior. La presencia del gas supone un notable incremento de la eficacia luminosa de la lámpara dificultando la evaporación del material del filamento y permitiendo el aumento de la temperatura de trabajo del filamento. Las lámparas incandescentes tienen una duración normalizada de 1000 horas, una potencia entre 25 y 2000 W y un rendimiento entre 7.5 y 11 lm/W para las lámparas de vacío y entre 10 y 20 para las rellenas de gas inerte. En la actualidad predomina el uso de las lámparas con gas, reduciéndose el uso de las de vacío a aplicaciones ocasionales en alumbrado general con potencias de hasta 40 W.

Lámparas halógenas de alta y baja tensión Agregando una pequeña cantidad de un compuesto gaseoso con halógenos (cloro, bromo o yodo), normalmente se usa el CH2Br2, al gas de relleno se consigue establecer un ciclo de regeneración del halógeno que evita el ennegrecimiento. Cuando el tungsteno (W) se evapora se une al bromo formando el bromuro de wolframio (WBr2). Como las paredes de la ampolla están muy calientes (más de 260 ºC) no se deposita sobre estas y permanece en estado gaseoso. Cuando el bromuro de wolframio entra en contacto con el filamento, que está muy caliente, se descompone en W que se deposita sobre el filamento y Br que pasa al gas de relleno. Y así, el ciclo vuelve a empezar. Este tipo de lámparas requiere de temperaturas muy altas para que pueda realizarse el ciclo del halógeno. Son más pequeñas y compactas que las lámparas normales y la ampolla se fabrica con un cristal especial de cuarzo que impide manipularla con los dedos para evitar su deterioro. La eficacia luminosa de 22 lm/W con una amplia gama de potencias de trabajo (150 a 2000W) según el uso al que estén destinadas.

Lámparas Fluorescentes de tipo Compacto Son Convenientes, pero Frágiles, Complicadas y Peligrosas para el Medio Ambiente Tubo de vidrio muy delgado que contiene una mezcla de gas argón/vapor de mercurio. En cada extremo del tubo existen electrodos de metal cubiertos con una sustancia alcalina que genera electrones. Cuando una corriente eléctrica pasa a través del gas ionizado, la lámpara fluorescente emite radiación ultravioleta. La superficie interna del tubo de vidrio está recubierta de fósforo, típicamente combinado con silicato de zinc o tungsteno y magnesio. El fósforo absorbe la radiación ultravioleta y re-irradia (emisión) la energía como luz visible. Una lámpara fluorescente opera hasta que la solución alcalina se consume lo que define el fin de la vida útil de la lámpara. Al momento de encendido de una lámpara fluorescente, la misma requiere de un arrancador en la forma de un iniciador y balasto que genere hasta 4 veces el voltaje en el momento inicial de encendido.

LEDs : Diodos de Emisión de luz El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica emite luz. Existen diodos LED de varios colores y dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo (GaAs, GaAsP,y GaP). A diferencia de las lámparas incandescentes, y lámparas fluorescentes casi toda la energía utilizada por el LED es convertida en luz en lugar de calor. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios y la gama de corriente que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs. Tiene enormes ventajas sobre las lámparas comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation                                                                                                                      LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Para que la emisión estimulada tenga lugar se requiere que el electrón permanezca en el estado superior un tiempo suficientemente largo para darle oportunidad al fotón estimulador a que llegue al átomo. Por esta razón, el proceso de emisión estimulada es más fácil si el nivel superior tiene una vida media relativamente larga. Para que este proceso sea apreciable es necesario que el estado excitado esté permanentemente poblado. A este proceso se le conoce con el nombre de "bombeo óptico". Lo que logra el bombeo óptico es que la mayoría de los átomos estén constantemente en el nivel superio. Este proceso se denomina inversión de población, y es absolutamente indispensable para que se produzca la emisión láser.

A fin de que éste sea un proceso continuo, podemos colocar un espejo semitransparente a la salida, para regresar parte de los fotones que salen, y así seguir provocando la emisión estimulada. A la entrada se coloca otro espejo, totalmente reflector. ¿Cómo se puede ahora introducir al láser el primer fotón disparador de la emisión estimulada?. Esto no es necesario, pues tarde o temprano se producirá un fotón por emisión espontánea.

Ejemplo de inversión de población

Región espectral o color Algunos láseres de gas Sistema Elemento activo Región espectral o color Forma de operación Potencia típica He-Ne neón rojo continua 10 mW   632.8 nm He-Cd cadmio violeta, UV He-Se selenio verde Ar+ argón verde, azul 10 W o pulsada Kr+ kriptón CO2-N2-He bióxido de infrarrojo 100 W carbono 10.6 mm o más

Algunos láseres sólidos Sistema Elemento activo Región espectral Forma de operación Potencia típica rubí cromo rojo pulsada ---   694.3 nm Nd3+YAG neodimio infrarrojo continua o 1 W 1.06 mm Nd-vidrio Ga-As arsenuro de Galio 0.84 mm Semi- conductor silicio .5 W 0.6-0.9 mm