Línea De Investigación:  DIFUSIÓN*  DE  LUZ

* El término "Scattering", ampliamente extendido en la jerga científica, puede ser traducido como difusión o como esparcimiento, menos ambiguo aunque más inusual que el primero
Contexto
Contribuciones del grupo Retrodifusión intensificada y difusión múltiple: modelado por depósitos de partículas
Determinación de tamaños de partículas
Detección de defectos
Estadística de la luz difundida
Otras contribuciones
¿Contribuciones futuras?

 


CONTEXTO

Difusión de luz es un término muy amplio, si consideramos que puede referirse a difusión por superficies, volúmenes o partículas aisladas; medios diluidos o densos; tamaños menores, mayores o comparables a la longitud de onda; medios homogéneos o heterogéneos, isótropos o anisótropos; partículas regulares o no; con o sin inclusiones; aisladas o formando agregados; con distintas propiedades dieléctricas o magnéticas, etc. En el caso de las superficies, podemos encontrarnos distintos grados de rugosidad; superficies con protuberancias aisladas, regular o aleatoriamente distribuidas; o superficies con distintos tipos de defectos. Una larga casuística que a lo largo del último siglo ha suscitado interés por parte de muchos investigadores, en algunos casos por su importancia como problema básico y en otros por sus aplicaciones concretas.


CONTRIBUCIONES RECIENTES    (se incluyen sólo referencias desde 1995)

En los últimos años nuestro grupo ha trabajado directa o indirectamente en algunos de estos problemas, entre los que podemos destacar los siguientes:

1.- Retrodifusión intensificada y difusión múltiple: modelado por depósitos de partículas

            Al observar la luz difundida por superficies de alta rugosidad se detecta un aumento de intensidad en la dirección de la fuente, debido a un efecto constructivo de los haces que sufren difusión múltiple, y que en dicha dirección están en fase por ser sus trayectorias iguales (aunque inversas). Esto produce un pico de retrodifusión, cuya anchura angular informa de la diferencia de fase que se acumula al alejarnos de esta dirección, y que por tanto guarda relación con las características de la superficie. La difusión múltiple está relacionada también con el grado de despolarización de la luz difundida. Si incidimos con polarización contenida en el plano de incidencia o perpendicular a él, la difusión múltiple produce detección no nula en el plano perpendicular a él (polarización cruzada).

     Una manera de investigar estos efectos es producir superficies de forma controlada, a base de partículas sobre substratos planos. Las partículas pueden tener el tamaño que se quiera, y se puede conseguir una distribución superficial aleatoria de densidad variable. Además, puede obtenerse un carácter metálico mediante recubrimientos por sputtering. Este tipo de superficies produce una difusión en la que el patrón general (lobulado) se va suavizando con la densidad, al tiempo que se incrementa la difusión múltiple. El pico de retrodifusión requiere un alto grado de polidispersidad, a no ser que se utilice un método de promediado sobre el ángulo de incidencia, algo que hemos propuesto y comprobado teórica y experimentalmente. Otra característica reseñable es la inhibición del scattering múltiple por presencia de una superficie plana, si se compara los valores con los correspondientes a partículas aisladas. En este caso la causa es un efecto destructivo entre los haces difundidos desde una partícula directamente a otra o a través del substrato. También es de destacar la generación de plasmones superficiales en este tipo de superficies cuando la polarización incidente es paralela al plano de incidencia. Si bien son observados en forma de corrientes superficiales o por los campos generados en la proximidad de la superficie, es interesante comprobar que son una contribución adicional a la difusión múltiple.

Configuración experimental para medida de difusión en el plano de incidencia por superficies con partículas.

      

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Aspecto de una superficie plana con distintas densidades de partículas esféricas

 

REFS
 "Application of a ray-tracing model to the study of backscattering from surfaces with particles" J.Phys.D:Appl.Phys. 28, 1040-1046 (1995) "On the multiple scattering effects for small metallic particles on flat conducting substrates" Waves in Random Media 5, 73-88 (1995)
 "Scattering from particulate metallic surfaces. Effect of particle surface density" Opt.Eng 34, 1200-1207 (1995)  "Near-field scattering from subwavelength metallic protuberances on conducting flat substrates" Phys.Rev.B 51, 13681-13690 (1995)
 "Multiple scattering in particulate surfaces: Depolarization ratios and shadowing effect" Opt.Comm. 137, 359-366 (1997) "Multiple scattering effects in the far-field region for two small particles on a flat conducting substrate" Waves in Random Media 7, 319-329 (1997)
"Adetailed study of the scattered near field of nanoprtuberances on flat surfaces" J.Phys.D: Appl.Phys. 31, 3009-3019 (1998)

 

2.- Determinación de tamaños de partículas

            La regularidad de los patrones de difusión de luz por superficies con distribuciones monodispersas de partículas, en las que aparecen una serie de lóbulos -máximos y mínimos- numerables como órdenes, permite la determinación del tamaño de las partículas depositadas, si se dispone de un modelo fiable con el que comparar los resultados. Así, no sólo ha sido posible ajustar valores experimentales a los predichos por el modelo, sino que además se han podido obtener expresiones analíticas sencillas que relacionen aproximadamente las posiciones de los mínimos de difusión con el tamaño relativo (D/l). A partir de esta idea se han elaborado métodos más precisos utilizando seguimiento automatizado de mínimos con incidencia variable y ajuste de las curvas de evolución al valor en incidencia normal. El modelo de referencia utilizado es un modelo sencillo y fácilmente manipulable, el MDIM (Modified Double Interaction Model). Su precisión en la determinación de los mínimos de difusión para este tipo de superficies es suficientemente buena, una vez comparado con métodos exactos.

     También para retrodifusión pura se pueden realizar estimaciones de tamaño, aunque no a partir de expresiones analíticas sencillas sino mediante ajustes numéricos al modelo o a gráficos de la posición angular en función del tamaño relativo para los distintos órdenes observables.

      

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Comparación modelo-experimento para partículas de 1.1 micras.

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Contribuciones tenidas en cuenta por el modelo MDIM

     Para muestras de baja polidispersidad (es decir, superficies planas con partículas cuya distribución de tamaños está centrada en un valor con una dispersión máxima de hasta el 10%) la atenuación gradual de los mínimos de difusión ha resultado una fuente de información muy útil, ya que ha sido posible establecer una relación analítica entre los valores de la polidispersidad de la muestra y la visibilidad del mínimo asociado a un orden dado. Una forma de simular distribuciones de baja polidispersidad en tamaño es muestrear una fibra depositada sobre un substrato con un haz muy fino, de manera que el conjunto de segmentos utilizados constituya una distribución de difusores de baja polidispersidad. En este experimento se puso de manifiesto, además, la capacidad de los análisis de patrones de difusión para reproducir el perfil de una fibra. 

     En los casos de alta polidispersidad no existe un patrón lobulado de difusión ni de retrodifusión, pero sí aparece un ensanchamiento característico del pico de retrodifusión. Desafortunadamente, este pico depende tanto del valor de la polidispersidad como del tamaño relativo, por lo que no es posible extraer alguno de esos datos sin una información adicional sobre el otro.

 

      

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Suavización de los patrones de difusión por efecto de la polidispersidad

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Aparición de un pico en la dirección de retrodifusión para alta polidispersidad

REFS
 "Metallic particle sizing on flat surfaces. Application to conducting substrates" Appl.Phys.Lett. 68, 3087-3089 (1996)  "Sizing particles on substrates. Ageneral method for oblique incidence" J.Appl.Phys. 85, 432-438 (1999)
"Enhanced backscatter from monodisperse contaminants on a substrate" Jour.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 63, 383 (1999) "application of a double interaction model to the backscattering from particulate surfaces" Opt.Eng 38, 1017-1023 (1999) 
 "Tracking scattering minima to size metallic particles on flat substrates" Part.&Part.Syst.Charact. 16, 113 (1999)  "Profile of a fiber from backscattering measurements" Opt. Lett. 25, 1699-1671 (2000)

 

3.- Detección de defectos.

     Una de las aplicaciones más interesantes del modelo MDIM es su versatilidad. Así, dado un patrón de difusión anómalo (es decir, no esperado con la información que se tiene del difusor) el modelo permite, mediante variación de sus parámetros, investigar posibles alteraciones en el difusor original conducentes a la medida de un patrón. Por supuesto requiere la iniciativa del programador, que le sugiere una elevación del recubrimiento, un abombamiento cercano, un enterramiento de la partícula, una partícula adherida, etc. No olvidemos que el "problema inverso", o determinación del difusor a partir del patrón de intensidad difundida, no tiene solución única.       

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Acuerdo modelo - experimento al introducir un defecto tipo bump.

 

REFS
 "Detection and recognition of local defects in 1D structures" Opt.Comm. 196, 33-39 (2001)  "Scattering by a metallic cylinder on a substrate. Burying effects" Opt.Lett. 21, 1330-1332 (1996)

 

4.- Estadística de la luz difundida

        Un análisis diferente del problema de la difusión es el estudio de la estadística de la luz difundida por los medios dinámicos. Las fluctuaciones de intensidad encierran información sobre los elementos difusores (en particular sobre su número y sobre su posible interacción). En concreto, el análisis estadístico puede ser aplicado a las medidas obtenidas en la dirección de retrodifusión al incidir sobre una superficie con partículas, que al ser muestreada repetidamente (o por estar en movimiento, lo que resulta más práctico) produce una intensidad fluctuante. Puesto que la difusión múltiple produce cambios en la polarización, una posibilidad interesante consiste en la medida de la intensidad de luz con polarización cruzada, Icross, que sería nula en ausencia de interacción múltiple. En efecto, la probabilidad de obtener Icross=0 al medir experimentalmente la retrodifusión producida por una muestra, depende de la densidad de partículas. Además, lógicamente, depende del tamaño del haz (número de partículas iluminadas) y de la polarizabilidad de la partícula (capacidad de difundir luz hacia las vecinas). Es posible obtener una expresión sencilla en la que estas dependencias se condensan en un parámetro que da idea del alcance de la interacción. Conocida la densidad superficial de la muestra, y por supuesto el haz con que es iluminada, este parámetro (medible a través de P(Icross=0)) informaría sobre la polarizabilidad de la partícula; o viceversa, conocida la partícula conoceríamos la densidad superficial.          

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Esquema del sistema de medida de Icross y ejemplo de distribución de intensidades obtenidas

Valores experimentales y curva teórica para distintos tamaños de spot sobre una muestra.

   

REFS

"Light scattering fluctuations of a soft spherical particle containing an inclusion" Appl. Opt. 40, 4054-4057 (2001) 

"Experimental measurement of the statistics of the scattered intensity from interacting particles on surfaces" Opt.Express 10, 190-195 (2002)
 "Intensity statistics of the scattered light by particles on surfaces" en Light scattering from microstructures, p.191-211, Springer Verlag (2000)  "Multiple scattering by two particle systems: statistics of the cross-polarized scattered intensity" J.Quant.Spectr.Rad.Transfer (2002)
 "Intensity statistics of the light scattered from particulate surfaces: interacting particles and non-Gaussian effects" Opt.Comm. 181, 231 (2000)  

 

5.- Otras contribuciones de tipo general

Algunas contribuciones recientes contienen información de tipo general sobre los modelos, técnicas de cálculo y experimentos utilizados en el estudio de la difusión de luz.

REFS
 "Introduction to scattering from microstructures" en Light scattering from microstructures, p 1-19, Springer-Verlag (2000). F.Moreno y F.González eds.  "Light scattering computational methods for particles on substrates", J.Quant.Spectrosc. and Rad. Transfer 70, 383-393 (2001)
Entry "Backscatter" in "Encyclopedia of Optical Engineering", Ed. Marcel-Dekker. (2003)

 


CONTRIBUCIONES FUTURAS

    En el momento actual son varias las líneas que sugieren un importante desarrollo durante los próximos años y sobre las que nos planteamos realizar alguna aportación*. Podemos citar:

  Difusión por aerosoles. Presencia de clusters./ Micropartículas con inclusiones./ Micropartículas con geometría irregular

Estudios polarimétricos de sistemas difusores (superficie o volumen) / Aplicación del teorema de descomposición polar

Medida de fluctuaciones de luz difundida / Caracterización de microestructuras

Caracterización de micro- y nanoestructuras con propiedades magnetoópticas mediante experimentos de difusión de luz.

* Recientemente hemos comenzado el proyecto de la DGES "DESARROLLO DE TECNICAS DE DIFUSION DE LUZ PARA LA CARACTERIZACION DE AEROSOLES MICROMETRICOS "