Desarrollo de técnicas de espectroscopía de scattering óptico y de resonancia plasmónica para la determinación de tamaño de micro y nanopartículas

Esta tesis trata fundamentalmente sobre el desarrollo de técnicas ópticas útiles en la determinación del tamaño de partículas tanto dieléctricas en el rango micrométrico como metálicas en el rango nanométrico. Dichas técnicas están basadas en el análisis espectroscópico de la radiación interactuante con el material particulado. Para el caso de partículas dieléctricas se implementó la llamada espectroscopía de retrodispersión, mientras que para partículas metálicas se recurre a la espectroscopía de resonancia de plasmones. Las propiedades de las nanopartículas se diferencian notablemente de su comportamiento como material volumétrico (bulk). La Ingeniería y la Física Aplicada están trabajando actualmente en forma interdisciplinaria para el estudio y desarrollo de materiales nanoestructurados con propiedades novedosas que puedan ser diseñados y funcionalizados para aplicaciones específicas. Se han obtenido resultados empleado la transformada de Fourier para la determinación de tamaño de partículas dieléctricas en suspensiones mono y multimodales resultando un método relativamente sencillo. El rango de tamaños de partículas abarcado ha sido desde el micrómetro hasta 60 micrómetros dependiendo la región del espectro electromagnético utilizada. Se discuten los principales mecanismos involucrados en la fabricación y fragmentación de partículas metálicas de oro utilizando pulsos láser ultracortos, algunos de ellos son: modificación del espectro irradiado debido a efectos no lineales en el medio donde se sumerge la muestra (parámetro de Keldish). y formación del espectro supercontinuo debido a efectos no lineales. Como métodos para funcionalización se presentan resultados empleando fluencia controlada. Se examinan los efectos del supercontinuo en el proceso de fragmentación aplicando fluencias bajas. El supercontinuo fue generado externamente en un cristal de zafiro y en agua. El cambio más grande fue obtenido para 0.855 J/cm2 de fluencia aplicadas al agua, pues el pico del plasmón pasó a estar en 521 nm. respecto del pico de la solución inicial ubicado en 531 nm. También se han diseñado procedimientos para la funcionalización de partículas metálicas núcleo cubierta utilizando distintas fluencias. Se analiza la extinción óptica de las suspensiones coloidales de Nps de Ag generadas usando un amplio rango de fluencias (60 J/cm2, 160 J/cm2, 800 J/cm2 y 1000 J/cm2) para caracterizar el tamaño del núcleo y espesores de la cubierta, observándose como resultado cambios en la posición del pico de extinción del plasmón de acuerdo a los distintos espesores de la cubierta. En estos casos para obtener la extinción se han utilizado expresiones de la aproximación electrostática para partículas Por último se han analizado reflectancias de films delgados.Se propone un nuevo método híbrido para medida de espesores en multicapas basado en las propiedades ópticas de la resonanacia de plasmones superficiales y del modo acoplado de guia de onda óptica.Por medio de la simulación de la reflectancia para sistemas multicapa constituidos por plata y óxido de plata se han obtenido parámetros caracteristicos que dependen sensiblemente de los espesores y en consecuencia hacen posible la medida.Facultad de Ingenierí

Evaluation of the performance of optical filters for ophthalmic use employing Euclidean distances

El estilo de vida de las sociedades actuales involucra el empleo intenso de pantallas a LED. La radiación luminosa que emana de estos dispositivos posee alto contenido espectral en una región identificada como fototóxica (aproximadamente 380- 500 nm). La exposición a este tipo de radiación es en parte responsable del “estrés ocular digital” y de la alteración de los ritmos circadianos. Frente a esta situación se han sugerido un conjunto de medidas preventivas y paliativas, entre ellas el empleo de anteojos con capacidad para filtrar luz fototóxica. El presente trabajo compila, en lengua española, información relevante sobre la problemática y, mediante el uso de distancias Euclídeas, como criterio para diferenciar espectros, presenta y discute la performance de distintas lentes disponibles en el mercado con el objetivo de brindar información orientativa sobre su potencial efectividad. Se analizaron lentes transparentes y pigmentadas específicas (publicitadas como protectoras de exceso de luz azul) y pigmentadas no específicas (bajo costo). Nuestros resultados muestran que las lentes transparentes específicas ensayadas no presentan un grado de atenuación significativo en la región fototóxica. Por su parte, las lentes pigmentadas específicas poseen, en general, una muy buena atenuación mientras que las no específicas poseen una moderada capacidad de atenuación.The lifestyle of today's societies involves the intensive use of LED screens. The light radiation emanating from these devices has a high spectral content in a region identified as phototoxic (approximately 380- 500 nm). Exposure to this type of radiation is in part responsible for “digital eye strain” and the alteration of circadian rhythms. Faced with this situation, a set of preventive and palliative measures have been suggested, among them, the use of glasses with the ability to filter phototoxic light. The present work compiles, in Spanish language, relevant information on the problematic involved and, by employing Euclidean distances as criterion to differentiate spectra, presents and discusses the performance of different lenses available in the market in order to provide information as guidance on their potential effectiveness. Specific pigmented and transparent lenses (advertised as protective against excess of blue light) and non-specific pigmented (low cost) lenses were analyzed. Our results show that the specific transparent lenses tested do not present a significant degree of attenuation in the phototoxic region. On the other hand, the specific pigmented lenses generally have a very good attenuation while the non-specific ones have a moderate attenuation capacity.Centro de Investigaciones Óptica

Evaluation of the performance of optical filters for ophthalmic use employing Euclidean distances

El estilo de vida de las sociedades actuales involucra el empleo intenso de pantallas a LED. La radiación luminosa que emana de estos dispositivos posee alto contenido espectral en una región identificada como fototóxica (aproximadamente 380- 500 nm). La exposición a este tipo de radiación es en parte responsable del “estrés ocular digital” y de la alteración de los ritmos circadianos. Frente a esta situación se han sugerido un conjunto de medidas preventivas y paliativas, entre ellas el empleo de anteojos con capacidad para filtrar luz fototóxica. El presente trabajo compila, en lengua española, información relevante sobre la problemática y, mediante el uso de distancias Euclídeas, como criterio para diferenciar espectros, presenta y discute la performance de distintas lentes disponibles en el mercado con el objetivo de brindar información orientativa sobre su potencial efectividad. Se analizaron lentes transparentes y pigmentadas específicas (publicitadas como protectoras de exceso de luz azul) y pigmentadas no específicas (bajo costo). Nuestros resultados muestran que las lentes transparentes específicas ensayadas no presentan un grado de atenuación significativo en la región fototóxica. Por su parte, las lentes pigmentadas específicas poseen, en general, una muy buena atenuación mientras que las no específicas poseen una moderada capacidad de atenuación.The lifestyle of today's societies involves the intensive use of LED screens. The light radiation emanating from these devices has a high spectral content in a region identified as phototoxic (approximately 380- 500 nm). Exposure to this type of radiation is in part responsible for “digital eye strain” and the alteration of circadian rhythms. Faced with this situation, a set of preventive and palliative measures have been suggested, among them, the use of glasses with the ability to filter phototoxic light. The present work compiles, in Spanish language, relevant information on the problematic involved and, by employing Euclidean distances as criterion to differentiate spectra, presents and discusses the performance of different lenses available in the market in order to provide information as guidance on their potential effectiveness. Specific pigmented and transparent lenses (advertised as protective against excess of blue light) and non-specific pigmented (low cost) lenses were analyzed. Our results show that the specific transparent lenses tested do not present a significant degree of attenuation in the phototoxic region. On the other hand, the specific pigmented lenses generally have a very good attenuation while the non-specific ones have a moderate attenuation capacity.Centro de Investigaciones Óptica

Visible and near-infrared backscattering spectroscopy for sizing spherical microparticles

Scattering is a useful tool for the determination of particle size in solution. In particular, spectroscopic analysis of backscattering renders the possibility of a simplified experimental setup and direct data processing using Mie theory. We show that a simple technique based on near-infrared (NIR) backscattering spectroscopy together with the development of the corresponding algorithm based on Fourier transform (FT) and Mie theory are a powerful tool for sizing microparticles in the range from 8 to 60 microm diameter. There are three wavelength intervals in the NIR, within which different diameter ranges were analyzed. In each one, the FT yields a coarse diameter value with an uncertainty dependent on the wavelength range. A more accurate value is obtained by further applying cross correlation between experimental and theoretical spectra. This latter step reduces the uncertainty in diameter determination between 30% and 40%, depending on wavelength interval and particle diameter. These results extend previous information on visible backscattering spectroscopy applied to sizing microparticles in the range between 1 and 24 mum diameter. This technique could be the basis for the construction of a portable and practical instrument

Alternative method for concentration retrieval in differential optical absorption spectroscopy atmospheric gas pollutant measurements

Differential optical absorption spectroscopy is a widely used technique for open-column atmospheric-gas pollution monitoring. The concentration retrieval is based on the fitting of the measured differential absorbance through the Lambert-Beer law. We present an alternative method for calculating the gas concentration on the basis of the proportionality between differential absorbance and differential absorption cross section of the gas under study. The method can be used on its own for single-component analysis or as a complement to the standard technique in multicomponent cases. The performance of the method for the case of cross interference between two gases is analyzed. The procedure can be used with differential absorption cross sections measured in the laboratory or taken from the literature. In addition, the method provides a criterion to discriminate against different species having absorption features in the same wavelength range.Facultad de Ciencias ExactasCentro de Investigaciones Óptica

Alternative method for concentration retrieval in differential optical absorption spectroscopy atmospheric gas pollutant measurements

Differential optical absorption spectroscopy is a widely used technique for open-column atmospheric-gas pollution monitoring. The concentration retrieval is based on the fitting of the measured differential absorbance through the Lambert-Beer law. We present an alternative method for calculating the gas concentration on the basis of the proportionality between differential absorbance and differential absorption cross section of the gas under study. The method can be used on its own for single-component analysis or as a complement to the standard technique in multicomponent cases. The performance of the method for the case of cross interference between two gases is analyzed. The procedure can be used with differential absorption cross sections measured in the laboratory or taken from the literature. In addition, the method provides a criterion to discriminate against different species having absorption features in the same wavelength range

Optical fiber ring resonator as a high-resolution spectrometer: characterization and applications with single line diode lasers

An optical fiber ring resonator (OFRR), a wavelength sensor for testing a single-mode laser system in a wide range of temperature, is presented. We will show that it is possible to calibrate, in relative form, a scale ofwavelength, to determine, accurately enough, a thermally induced laser detuning, using the free spectral range of an OFRR. The optical circuit was constructed using 2 × 2 (50/50) optical fiber coupler obtaining an OFRR of10-cm ring radius. A single-mode diode laser system has been launched into the OFRR, and different experiments have been performed. We tested the OFRR performance, considering fluctuations in the laser wavelengthcaused by small temperature instabilities, measuring the output intensity from the ring resonator. Theoretical simulations and experimental results were in agreement with the expected behavior. Furthermore, OFRR systemscan be used as an excellent control tool to test the wavelength stability for a narrowband laser diode and act as a part of a control system.Centro de Investigaciones Óptica

Alternative method for concentration retrieval in differential optical absorption spectroscopy atmospheric gas pollutant measurements

Differential optical absorption spectroscopy is a widely used technique for open-column atmospheric-gas pollution monitoring. The concentration retrieval is based on the fitting of the measured differential absorbance through the Lambert-Beer law. We present an alternative method for calculating the gas concentration on the basis of the proportionality between differential absorbance and differential absorption cross section of the gas under study. The method can be used on its own for single-component analysis or as a complement to the standard technique in multicomponent cases. The performance of the method for the case of cross interference between two gases is analyzed. The procedure can be used with differential absorption cross sections measured in the laboratory or taken from the literature. In addition, the method provides a criterion to discriminate against different species having absorption features in the same wavelength range.Facultad de Ciencias ExactasCentro de Investigaciones Óptica

Visible and near-infrared backscattering spectroscopy for sizing spherical microparticles

Scattering is a useful tool for the determination of particle size in solution. In particular, spectroscopic analysis of backscattering renders the possibility of a simplified experimental setup and direct data processing using Mie theory. We show that a simple technique based on near-infrared (NIR) backscattering spectroscopy together with the development of the corresponding algorithm based on Fourier transform (FT) and Mie theory are a powerful tool for sizing microparticles in the range from 8 to 60 microm diameter. There are three wavelength intervals in the NIR, within which different diameter ranges were analyzed. In each one, the FT yields a coarse diameter value with an uncertainty dependent on the wavelength range. A more accurate value is obtained by further applying cross correlation between experimental and theoretical spectra. This latter step reduces the uncertainty in diameter determination between 30% and 40%, depending on wavelength interval and particle diameter. These results extend previous information on visible backscattering spectroscopy applied to sizing microparticles in the range between 1 and 24 mum diameter. This technique could be the basis for the construction of a portable and practical instrument.Facultad de Ingenierí

El empleo de las TIC para validar los modelos teóricos en el estudio del movimiento de rototraslación

En este trabajo se presenta una experiencia didáctica de aula que articula actividades teóricas, prácticas y experimentales para abordar el movimiento de rototraslación de un cuerpo rígido. Se emplean TIC combinadas con elementos tradicionales para el tratamiento del tema. El uso de estos instrumentos favorece la participación activa de los estudiantes y los ayuda en el entendimiento conceptual de las ciencias. El análisis de los resultados adquiridos por computadora permite, de manera casi instantánea, contrastar los resultados de la experiencia con los resultados teóricos, dando validez al modelo físico y en consecuencia refuerza la incorporación del concepto utilizado. La implementación de esta experiencia ha dado resultados positivos y fue estudiada por medio de encuestas y a través de las evaluaciones de acreditación del curso.In this work it is presented a didactic experience in the class room. The same articulate different activities: theoretical, practical and experimental to deal with the roto-translation movement in a rigid body. In this approach, it has been employed ICT combined with traditional devices. The use of these instruments gets to improve the active participation of students, in turn help them to better understand concepts relatives to science. By mean of the results analysis acquired by computer it is possible almost instantaneously perform the contrast amongst the theoretical and experimental results. This fact has a double effect: first validate the physical model and second gets enhance the incorporation of the concept used. The implementation of this experience has positives outcomes and was studied by mean of surveys and accredited midterm examinations.Investigación en Metodologías Alternativas para la Enseñanza de las Ciencia