Aplicación de la espectroscopia Raman a mezclas de pigmentos vía temperatura

Abstract

In this research, Raman spectroscopy was applied in order to study the temperature induced by a laser on a material. Firstly, the mathematical profile of a Raman spectrum was described, which is a useful procedure to accurately calculate the temperature induced when analyzing pigments and minerals. Then, the non-lineal behaviors of the Raman spectrum in the mixtures of pigments were studied. A Raman system of high spectral resolution was used to obtain spectra of pigments of great interest in art history. A software tool was also designed so as to automate the calculation of the temperature and the mathematical adjustment of the Raman spectra used in this research. Some of the challenges faced in this project were the generalization of a formula to calculate the temperature in experimental cases (bands with a certain spectral width and overlapping bands); the theoretical arguments of nonlinear effects on the Raman spectrum of a mixture of pigments due to the internal light reflectivity; as well as testing the theory in experimental situations. Ultimately, based on Boltzman’s expression, we were able to deduce that in the Raman spectrum of a mixture of pigments, both relative intensity Stokes / Anti-Stokes as well as the position of the Raman bands must change relative to the Raman spectra of individual pigments. This deduction has been proven in test cases.

En esta investigación se aplica la espectroscopía Raman al estudio de la temperatura inducida por un láser sobre un material. Para ello, primero se caracterizó el perfil matemático de un espectro Raman, que es de utilidad para calcular con precisión la temperatura inducida al analizar pigmentos y minerales. Finalmente se estudiaron comportamientos no lineales del espectro Raman de las mezclas de pigmentos. Se empleó un sistema Raman de alta resolución espectral para la obtención de espectros de pigmentos de interés en la historia del arte. También se diseñó una herramienta software que permite automatizar el cálculo de la temperatura y el ajuste matemático de los espectros Raman utilizados en esta investigación. Otro reto que afrontó este proyecto fue la generalización de una fórmula para el cálculo de la temperatura en casos experimentales (bandas con cierta anchura espectral y solapamiento de bandas) y la argumentación teórica de efectos no lineales sobre el espectro Raman de una mezcla de pigmentos debido a las reflectividades internas de la luz, así como la comprobación de la teoría en situaciones experimentales. Básicamente, se ha deducido, a partir de la expresión de Boltzman, que en el espectro Raman de una mezcla de pigmentos, tanto la relación de intensidades relativas Stokes/Anti-Stokes como la posición de las bandas Raman deben cambiar respecto a los espectros Raman de los pigmentos individuales. Esta deducción ha sido comprobada en casos experimentales.

En aquesta recerca s'aplica l'espectroscopía Raman a l'estudi de la temperatura induïda per un làser sobre un material. Per a això, primer es va caracteritzar el perfil matemàtic d'un espectre Raman, que és d'utilitat per calcular amb precisió la temperatura induïda en analitzar pigments i minerals. Finalment es van estudiar comportaments no lineals de l'espectre Raman de les mescles de pigments. Es va emprar un sistema Raman d'alta resolució espectral per a l'obtenció d'espectres de pigments d'interès en la història de l'art. També es va dissenyar una eina programari que permet automatitzar el càlcul de la temperatura i l'ajust matemàtic dels espectres Raman utilitzats en aquesta recerca. Un altre repte que va afrontar aquest projecte va ser la generalització d'una fórmula per al càlcul de la temperatura en casos experimentals (bandes amb certa amplària espectral i solapament de bandes) i l'argumentació teòrica d'efectes no lineals sobre l'espectre Raman d'una mescla de pigments a causa de les reflexivitats internes de la llum, així com la comprovació de la teoria en situacions experimentals. Bàsicament, s'ha deduït, a partir de l'expressió de Boltzman, que en l'espectre Raman d'una mescla de pigments, tant la relació d'intensitats relatives Stokes/Anti-Stokes com la posició de les bandes Raman han de canviar respecte als espectres Raman dels pigments individuals. Aquesta deducció ha estat comprovada en casos experimentals.