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Cenni di optoelettronica
La radiazione luminosa
La luce è un tipo di energia chiamata energia radiante, che viaggia nello spazio sotto forma di onda
elettromagnetica, proprio come le onde prodotte in uno stagno, quando noi lanciamo un sasso
nell’acqua. Le onde si irraggiano in ogni direzione a partire dal punto di origine.
Con il termine “radiazione” indichiamo il trasferimento di energia (il flusso di energia) da un
radiatore (trasmettitore o emettitore) a un ricevitore (rivelatore o sensore). Lo “spettro
elettromagnetico” contiene le varie sorgenti di energia radiante suddivise a seconda della frequenza.
Da sempre l’uomo conosce le sorgenti di luce visibile che fanno parte della parte visibile dello
spettro elettromagnetico.
Origine della luce
La luce è prodotta dalla emissione di energia da parte dell’atomo di un materiale, quando l’atomo
viene eccitato mediante somministrazione di energia termica, chimica o altro tipo. Le particelle
emesse si chiamano fotoni e la luce consiste appunto ad un flusso di questi fotoni. Per alcuni
decenni il mondo scientifico è stato diviso se considerare il comportamento dei fotoni simile a
quello delle onde o a quello di una particella ed alla fine nuove teorie hanno dato ragione ad
entrambi assegnando alla luce ambedue le caratteristiche fisiche a secondo dei fenomeni da
analizzare.
Tuttavia la maggior parte dei fenomeni luminosi è descrivibile più chiaramente assimilandone il
comportamento ai fenomeni ondulatori e ad essi ci si atterrà nei paragrafi seguenti.
Sorgenti di luce artificiale
Nel corso della propria storia l’uomo ha sviluppato molte sorgenti di luce artificiale e le comuni
lampade ad incandescenza o a fluorescenza sono solamente le ultime apparse. Un aspetto comune è
il tipo di luce che viene emessa, infatti abbiamo onde luminose formate da diverse lunghezze
d’onda. Ciò che ne risulta è l’aspetto policromatico della luce; aspetto che può essere reso visibile
scomponendo un raggio luminoso nelle sue frequenze componenti mediante il classico prisma. Una
sorgente luminosa che si discosta da questo tipo di sorgente è il laser. Questo dispositivo è infatti in
grado di emettere luce come fascio estremamente sottile di fotoni, ognuno con la medesima energia
e lunghezza d’onda o come si dice usualmente, monocromatico. Questa sua caratteristica ci
permette di ottenere luce di un singolo colore, la cui energia è contenuta in un raggio estremamente
concentrato con una dispersione minima durante la propagazione.
Unità di misura della luce
La misura della ripetitività di una forma d’onda prende il nome di ciclo. Ad esso ci si riferisce
quando una forma d’onda, durante la sua variazione periodica, ritorna ad uno stesso valore
ripetendosi poi identica sotto ogni aspetto.
La lunghezza d’onda è la misura dello spazio che un’onda, che si sposta alla velocità della luce,
percorre in un ciclo. Le onde lunghe e medie sono misurate mediante unità standard come per
esempio chilometri, metri e centimetri; tuttavia queste unità di misura non sono valide per l’energia
luminosa, la cui lunghezza d’onda è molto piccola e per la quale si utilizza un’unità speciale
chiamata Angstrom abbreviata in Ǻ (1 Ǻ = 10-10 m).
Il periodo T è la misura del tempo impiegato per compiere un ciclo. Le unità di misura utilizzate per
indicare il periodo di un’onda radiante sono tipicamente frazioni di secondo come per esempio il
millisecondo (10-3), il microsecondo (10-6), il nanosecondo (10-9), ed il picosecondo (10-12).
La frequenza f è la misura di quanti cicli d’onda si hanno in un secondo. Originariamente l’unità di
misura era chiamata proprio cicli al secondo, ora essa è indicata come Hertz. Il chilohertz (kHz)
significa 103 Hertz, megahertz (MHz) significa 106 Hertz mentre il gigahertz (GHz) indica una
frequenza di 109 Hertz.
La frequenza di un’onda ed il suo periodo sono correlati dall’equazione:
f = 1/T
dove f è la frequenza in Hertz e T è il periodo espresso in secondi.
La velocità della luce ha un valore molto elevato ed è stato determinato in 299792 chilometri al
secondo nel vuoto o nello spazio interstellare. Tale velocità si riduce notevolmente quando la luce
attraversa dei materiali come ad esempio il vetro.
Il colore della luce
L’occhio umano è sensibile solamente alle onde luminose la cui lunghezza si trova
approssimativamente tra i 4000 ed i 7000 angstroms.
Se la luce osservata da un occhio contiene approssimativamente la medesima quantità di energia per
tutte le lunghezze d’onda dello spettro si ha ciò che l’occhio percepisce come luce bianca. Se alcune
lunghezze d’onda contengono una quantità di energia superiore ad altre l’occhio ha invece la
percezione di uno o più colori.
Per colore si intende un set di nomi, che vengono assegnati alle diverse percezioni, che l’occhio
umano ha delle differenti lunghezze d’onda luminose, che si trovano nell’intervallo visibile dello
spettro.
La scomposizione della luce nelle sue componenti dal rosso al violetto viene ottenuta
artificialmente mediante un prisma di vetro e lo stesso fenomeno, seppur meno nitido, può essere
osservato nel comune arcobaleno.
Flusso luminoso (
E’ la potenza luminosa fornita da una sorgente ed esprime la quantità di energia emessa nell’unità di
tempo sotto forma di radiazione visibile. La sua unità di misura è il lumen (lm).
Misura dell’intensità luminosa
Un’ulteriore importante caratteristica della luce è la sua intensità.
“L’intensità” è la misura dell’energia contenuta nell’onda luminosa irradiata da una sorgente.
L’intensità luminosa (I) in una direzione è il rapporto tra il flusso luminoso emesso da una sorgente
entro un angolo solido e l’angolo solido stesso. L’intensità luminosa e il flusso luminoso sono legati
tra loro tramite l’angolo solido con la relazione I = La sua unità di misura è la candela (cd).
Esistono due metodi per la misura dell’intensità: il “sistema fotometrico”, correlato a come
l’intensità luminosa viene percepita dall’occhio, ed il “sistema radiometrico”, correlato a
misurazioni effettuate con apparecchiature appositamente costruite.
LED
Quando l’energia reagisce con qualche materiale, avviene un processo di conversione di energia.
Un materiale che converte una porzione di energia in luce viene denominato “sorgente luminosa”.
Tra le sorgenti di luce a semiconduttore troviamo il diodo a semiconduttore comunemente chiamato
LED (diodo ad emissione di luce). Elettricamente è un dispositivo a due terminali che conduce,
come tutti i diodi, in una sola direzione, ed è realizzato con un materiale semiconduttore, che emette
luce quando viene percorso da una certa corrente. Un LED può essere realizzato per emettere o luce
visibile o luce non visibile (infrarossa).