Efecto fotoacústico

El efecto fotoacústico u optoacústico consiste en la generación de ondas acústicas en un medio activo que puede ser sólido, liquido o gaseoso, a partir del cambio de presiones generado al interactuar este con radiación electromagnética pulsada o modulada.

¿Podemos 'escuchar' la luz?

Intente realizar el siguiente experimento: 

• Tome un estetoscopio, de los que utilizan los médicos para medir la tensión arterial, escuchar los latidos del corazón o monitorear el funcionamiento de nuestros pulmones. Es preferible que la membrana de la campana captadora sea de color negro.
• Colóquese cerca de una lámpara incandescente que sea alimentada con corriente alterna, es decir, conectada a la red eléctrica de casa. 
• Coloque los auriculares del estetoscopio en sus oídos. 
• Acerque lentamente el diafragma de estetoscopio a la lámpara, encendida
• ¿Puede escuchar un sonido parecido a "hum"?
• Si apaga la lámpara o interpone la mano entre esta y el diafragma, repetidamente, del estetoscopio podrá escuchar "hum, hum, hum..."
• El oído humano (equipado con un instrumento adecuado, en este caso el estetoscopio) es capaz de “escuchar” la luz, siempre que el flujo luminoso varíe periódicamente, como es el caso de nuestra bombilla incandescente alimentada con corriente eléctrica alterna.

¿Qué está sucediendo?

El efecto anterior recibe el nombre de Efecto Fotoacústico. Fue descubierto por Bell en 1880.El sonido "hum" del experimento anterior es el resultado de la conversión de energía luminosa en térmica y de esta en acústica.

El estetoscopio consiste en una cavidad metálica (campana) cerrada por una membrana, diafragma, de plástico. Conectada la campana a un tubo de plástico, este lleva el sonido a los auriculares que se conectan a los oídos. 

Al acercar el diafragma a la bombilla incandescente, este absorbe parte de la energía de la luz incidente y se calienta. siguiendo la frecuencia de modulación de la luz (por ej., los 60 ciclos por segundo de la línea eléctrica en la iluminación directa), expandiéndose y contrayéndose con esa periodicidad, y actuando como una especie de pistón sobre el resto de la columna cilíndrica de gas, en el que se genera una onda acústica o de presión que se propaga a  través de los tubos del estetoscopio y los conductos auditivos hacia nuestros tímpanos, siendo así detectada.

El efecto fotoacústico fue descubierto por Bell de una manera diferente, mientras trabajaba, junto con Charles Sumner Tainter (un conocido fabricante de instrumentos ópticos), en el fotófono,  un instrumento  con el cual intentaba transmitir la voz a grandes distancias utilizando la luz solar como portadora de la información. Bell hacía que una haz de luz solar se reflejara sobre una celda de selenio incorporada a un circuito telefónico (había estudiado las propiedades del selenio, entre ellas la variación de su resistencia eléctrica cuando absorbe luz). El haz era reflejado con ayuda de un espejo colocado en el diafragma de una especie de altavoz, y que vibraba al ser activado por la voz. La resistencia eléctrica del selenio era modulada entonces por la luz, reproduciéndose la voz transmitida hacia el receptor telefónico. Con el fotófono Bell y Tainter pudieron transmitir información solamente en distancias cortas, de algunas decenas de metros.

Esquema del fotófono de Bell

El efecto fotoacústico dió lugar a un grupo de técnicas llamadas fototérmicas. En ellas se hace incidir energía luminosa, incluso láser,  de forma periódica (o pulsada) sobre la muestra a investigar (en estado sólido, líquido o gaseoso) siendo parte de ella absorbida y parcialmente transformada en calor. La temperatura de la muestra varía entonces con la misma periodicidad que lo hace la radiación incidente, induciendo cambios en los parámetros del material (y/o del medio en el que se encuentra inmerso) dependientes de ella. La detección de estas variaciones es la base de los diferentes experimentos. En particular, en la Técnica FA, la muestra del material a investigar es colocada en una celda cerrada que contiene aire u otro gas. Como resultado de la absorción de radiación modulada, el material se calienta, transmitiéndose el calor a una capa de gas adyacente a la superficie iluminada de la muestra de manera análoga a como ocurría en el estetoscopio. 

Esquema de celda fotoacústica (Imagen: Dialnet)

Se ha empleado esta técnica fotoacústica en la detección espectroscópica de contaminantes en agua y aire atmosférico, permitiendo detectar en el aire atmosférico concentraciones de

diversos contaminantes monitoreados por los órganos de control ambiental de todo el mundo. La forma de detección se basa en el efecto que determinadas moléculas presentes en el aire, absorben radiación electromagnética de la región visible.

Actualmente, esta tecnología modificada se está empleando en la eliminación de tatuajes, detección de cáncer, construcción de nuevos audífonos para personas con pérdida auditiva, etc... Se ha comprobado que determinados micrófonos son sensibles a la acción de la luz y pueden crear agujeros de seguridad en dispositivos inteligentes en el hogar.

En resumen: 'escuchando la luz podemos  detectar la actividad de diferentes elementos químicos en diversos sistemas físicos y biológicos, cuya presencia en muchos casos puede

resultar indeseable. Escuchando la luz se pueden medir, además, diferentes propiedades de los materiales, como las ópticas, que regulan cómo es absorbida la luz de diferentes colores, o las térmicas, que describen por qué un cuerpo se calienta más o por qué conduce mejor el calor que otro.

Ismael Camarero

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Para saber más:

https://nplus1-ru.translate.goog/news/2019/01/29/photoacoustic?_x_tr_sl=ru&_x_tr_tl=es&_x_tr_hl=es

https://hmong.es/wiki/Photoacoustic_spectroscopy

https://hmong.es/wiki/Photoacoustic_Doppler_effect

https://www.kaspersky.es/blog/curious-mems-vulnerabilities/20963/

https://hmong.es/wiki/Optoelectronics