Fotoacústica: el sonido de la luz.

1. Introducción:

La fotoacústica (FA) es un área de la física aplicada que se encuentra en una etapa muy activa de investigación, así como los fenómenos fototérmicos en general. Estos términos hacen referencia a la generación de ondas acústicas u otros efectos termoelásticos por cualquier tipo de flujo energético incidente, que va de la radiación por rayos X, electrones, protones, ultrasonido, etc. El efecto FA fue descubierto por A.G.Bell en 1980 y su resurgimiento se debe a los trabajos de Kreuzer y Rosencwaig en los inicios de los años setenta.

2. Antecedentes históricos de la Fotoacústica:

El efecto fotoacústico en gases y sólidos fue descubierto en el siglo XIX por A.G. Belly reportado por el mismo a la American Association for the Advancement of Science. En el trascurso de sus experimentos, Bell encontró que algunas veces se podía obtener una señal audible cuando el haz de luz se interrumpía parcialmente mediante un disco giratorio con ranuras y enfocado sobre alguna sustancia sólida con forma de diafragma conectada apropiadamente al oído.

En 1881 Bell publicó sus investigaciones en las que encontró que cuando la materia sólida se encontraba en una celda llena de gas conectada mediante un tubo al oído, se podía escuchar una señal audible cuando el material dentro de este se iluminaba con luz periódica. Así, notó que las señales mas fuertes eran producidas por materiales esponjosos o porosos y aquellos que tenían colores obscuros. 

En una serie subsecuente de experimentos, Bell se cuenta que el efecto FA en sólidos dependía de la absorción de la luz y que la intensidad de la señal FA dependía de que tan fuerte se absorbiera la luz en el material dentro de la celda.

Posteriormente fueron realizados experimentos por J. Tyndall y W. Roentgen sobre muestras gaseosas y encontraron que era fácil el estudio FA en gases absorbentes de luz.

Bell, Tyndall y Roengten describieron experimentos en los que utilizaron como radiación óptica luz solar y lámparas de arco de mercurio, haciendo pasar la luz a través de un disco ranurado giratorio, con lo que modulaban la luz que posteriormente incidía en la muestra dentro de una cámara cerrada y la señal producida dentro de la celda era detectada por el oído. La absorción de la luz por la muestra daba como resultado fluctuaciones de presión en el tubo y esas fluctuaciones tenían la misma frecuencia de modulación de la luz.

Bell supuso que cuando un haz de luz incidía sobre la superficie de la muestra, sus partículas se expandían, esto hacía que hubiera una contracción del espacio de aire o de los poros entre ellos y era expulsado un pulso de aire, semejante al caso de exprimir una esponja con agua. Cuando la muestra tenía forma de un disco o de una membrana delgada, Bell sostenía la idea de Lord Rayleigh, quién concluyó que la principal fuente de la señal FA se debía a la vibración mecánica originada por el calentamiento no uniforme del disco, cuando este se iluminaba con el rayo de luz periódico.

Las posteriores hipótesis de Mercadier y Preece se aproximan mas a la explicación moderna. Estos sugirieron que el efecto FA era debido al movimiento vibratorio determinado por el enfriamiento y calentamiento alternado de la radiación y, principalmente, a la capa gaseosa adherida a la superficie de la muestra calentada por la luz. Preece escribió que el efecto FA es puramente un efecto de radiación de calor y es esencialmente debido a al cambio de volumen del gas producido por la degradación y absorción de este calor en un espacio confinado.

1.3. Principios de Fotoacústica y técnicas de detección

Aunque actualmente se ha encontrado que la fuente principal que genera la señal FA es causada por el flujo de calor periódico de la muestra sólida hacia el gas circundante con el subsecuente cambio de presión en el gas dentro de la cámara, que se ajusta mas a la s predicciones de Mercadier y Preece, también los argumentos de Bell y Rayleigh contribuyen en parte a la señal.

El principio subyacente de la fotoacústica es la calefacción producida en una muestra debido a la absorción de un flujo energético incidente y a los procesos de relajación desexcitados no radioactivos subsecuentes debido a una fuente de calor en la muestra, que puede distribuirse a lo largo de su volumen o confinarse en su superficie. Esta fuente de calor da lugar a variaciones de temperatura y fluctuaciones de presión dentro de las muestras que descubren entonces las características térmicas o acústicas, o incluso ambas, los cuales se obtienen por dispositivos o sensores.

En la mayoría de los casos, el calor depositado en la muestra es debido a absorción de radiación óptica y esta es la razón por la que el nombre fotoacústica y fototérmica se asocien con esta técnica.

Físicamente, el calentamiento de la muestra que está en el haz de luz no solo depende de la cantidad de calor generado en la muestra, sino también del coeficiente de absorción óptica de la muestra para la radiación incidente, así como de la eficacia de conversión de la luz en calor, pero también en como este se distribuye a través de la muestra. Es por consiguiente intuitivamente legítimo esperar que la señal FA detectada deba ser fuertemente dependiente en la interacción de estos tres factores. La dependencia de estos factores es la razón principal que está bajo la versatilidad de la técnica FA. La dependencia de la señal FA en el coeficiente de absorción para la radiación incidente nos permite realizar el estudio espectroscópico, considerando el hecho que la señal es también proporcional a los procesos de conversión de luz en calor. De esta manera, la técnica FA puede usarse también para conseguir la información acerca de los procesos no térmicos desextitados.

Finalmente, el hecho de que la señal fotoacústica dependa también de cómo el calor se difunde a través de las muestras nos permite realizar no solo la caracterización térmica de la muestra (es decir, mediciones de propiedades térmicas y su conductividad térmica) sino también la conductividad térmica imaginaria del material. Este último punto viene del hecho de que la generación de ondas térmicas por la absorción de un pulso energético incidente puede reflejarse y pueden espaciarse si se topan con ruidos, defectos, y así sucesivamente, que afectan la señal recibida.

En un arreglo experimental típico de FA, la muestra se encierra en una cámara hermética (cámara), la cual se expone a una luz ligera cortada mediante un chopped o troceador. La calefacción periódica resultante de la muestra es fuertemente dependiente de la interacción de los tres factores antes mencionados. Como resultado de esta, la presión en la cámara oscila a la frecuencia del troceador y puede determinarse mediante el uso de un micrófono sensible acoplado a la cámara.