Óptica

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La óptica (del griego antiguo ὀπτική "la ciencia de la percepción visual") es una rama de la física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz , incluida su interacción con la materia y la creación de herramientas que la usan o la detectan [1] . La óptica generalmente describe el comportamiento de la radiación visible , ultravioleta e infrarroja . Debido a que la luz es una onda electromagnética , otras formas de radiación electromagnética , como los rayos X , las microondas y las ondas de radio , tienen propiedades similares.

La mayoría de los fenómenos ópticos se pueden explicar utilizando la electrodinámica clásica . Sin embargo, la descripción electromagnética completa de la luz suele ser difícil de aplicar en la práctica. La óptica práctica suele basarse en modelos simplificados. La más común de ellas, la óptica geométrica , ve la luz como un conjunto de rayos que viajan en línea recta y se doblan a medida que pasan o se reflejan en las superficies. La óptica ondulatoria es un modelo más completo de la luz que incluye efectos ondulatorios como la difracción y la interferencia que no se tienen en cuenta en la óptica geométrica. Históricamente, el modelo de rayo de luz se desarrolló primero y luego el modelo de onda de luz. El progreso en la teoría del electromagnetismo en el siglo XIX condujo a la comprensión de las ondas de luz como la parte visible del espectro electromagnético.

Algunos fenómenos dependen del hecho de que la luz exhibe propiedades de onda y de partícula . La explicación de este comportamiento se encuentra en la mecánica cuántica . Al considerar las propiedades corpusculares, la luz se representa como una colección de partículas llamadas fotones . La óptica cuántica utiliza la mecánica cuántica para describir los sistemas ópticos.

La ciencia óptica es relevante y estudiada en muchas disciplinas relacionadas, incluida la astronomía , varios campos de la ingeniería , la fotografía y la medicina (especialmente oftalmología y optometría ). Las aplicaciones prácticas de la óptica se pueden encontrar en una variedad de tecnologías y cosas cotidianas, incluidos espejos , lentes , telescopios , microscopios , láseres y fibra óptica .

Historia

La óptica comenzó con el desarrollo de lentes por parte de los antiguos egipcios y mesopotámicos . Las primeras lentes conocidas de Creta , hechas de cristal pulido, a menudo cuarzo , datan del 2000 a. mi. (Museo Arqueológico de Heraklion, Grecia). Las lentes de Rodas datan de alrededor del 700 a. BC, así como lentes asirias como la lente de Nimrud [2] . Los antiguos romanos y griegos llenaban bolas de vidrio con agua para hacer lentes. Estos avances prácticos fueron seguidos por el desarrollo de las teorías de la luz y la visión por parte de los antiguos filósofos griegos e indios , y por el desarrollo de la óptica geométrica en el mundo grecorromano . La palabra óptica proviene de la palabra griega antigua ὀπτική , que significa "apariencia" [3] .

Los griegos consideraban la óptica como parte de una doctrina filosófica - tenía dos teorías opuestas sobre cómo funciona la visión: la teoría de la intromisión ( inglés intromission ) y la teoría de la radiación [4] . El enfoque de intromisión consideraba que la visión emanaba de objetos que emitían copias de sí mismos (los llamados eidolas del inglés eidola ) que eran captados por el ojo. Con muchos fundadores, incluidos Demócrito , Epicuro , Aristóteles y sus seguidores, esta teoría parece haber tenido cierta semejanza con las teorías modernas sobre lo que realmente es la visión, pero sigue siendo una mera especulación sin ninguna base experimental.

Platón fue el primero en formular la teoría de la radiación, la idea de que la percepción visual se lleva a cabo mediante rayos emitidos por los ojos. También comentó el cambio de paridad de los espejos en el Timeo [5] . Unos cientos de años después, Euclides (siglos IV-III a. C.) escribió un tratado llamado Óptica , en el que relacionaba la visión con la geometría , creando una óptica geométrica [6] . Basó su trabajo en la teoría de la radiación de Platón, en la que describió las reglas matemáticas de la perspectiva y describió cualitativamente los efectos de la refracción , aunque dudaba de que un haz de luz del ojo pudiera iluminar instantáneamente las estrellas cada vez que alguien parpadea [7] . Euclides formuló el principio del camino más corto de la luz y consideró múltiples reflejos en espejos planos y esféricos. Ptolomeo , en su tratado Óptica, se adhirió a la teoría de la visión de "intromisión-radiación": los rayos (o chorro) del ojo forman un cono, cuyo vértice está dentro del ojo, y la base determina el campo de visión. Los rayos eran sensibles y transmitían a la mente del observador información sobre la distancia y la orientación de las superficies. Resumió gran parte de la óptica geométrica de Euclides y pasó a describir una forma de medir el ángulo de refracción , aunque no notó una conexión empírica entre éste y el ángulo de incidencia [8] . Plutarco (siglos I-II d. C.) describió reflejos múltiples en espejos esféricos y discutió la creación de imágenes ampliadas y reducidas, tanto reales como imaginarias, incluido el caso de la quiralidad de la imagen .

Durante la Edad Media, las ideas griegas sobre la óptica fueron revividas y difundidas por escritores del mundo musulmán . Uno de los primeros de ellos fue Al-Kindi (c. 801-873), quien escribió sobre los méritos de las ideas aristotélicas y euclidianas de la óptica, prefiriendo la teoría de la radiación, ya que permitía una mejor determinación cuantitativa de los fenómenos ópticos [10] . En 984, el matemático persa Ibn Sal escribió un tratado "Sobre la quema de espejos y lentes", describiendo correctamente la ley de refracción, equivalente a la ley de Snell [11] . Usó esta ley para calcular las formas óptimas de lentes y espejos curvos . A principios del siglo XI, Alhazen (Ibn al-Haytham) escribió el Libro de la Óptica ( Kitab al-manazir ), en el que investigaba la reflexión y la refracción y proponía un nuevo sistema para explicar la visión y la luz, basado en la observación y la experimentación. [12] [13] [ 14] [15] [16] . Rechazó la "teoría de la radiación" utilizada en la óptica ptolemaica, es decir, cuando los rayos necesarios para la visión son emitidos por el ojo, y en su lugar planteó la idea de que la luz se refleja en todas las direcciones en línea recta desde todos los puntos de los objetos observados. y luego entra en el ojo, aunque no pudo explicar correctamente cómo el ojo capta los rayos [17] . El trabajo de Alhazen fue ignorado en gran medida en el mundo árabe, pero fue traducido anónimamente al latín alrededor del año 1200 dC y luego resumido y ampliado por el monje polaco Witelo [18] , convirtiéndolo en el texto estándar sobre óptica en Europa durante los siguientes 400 años.

En la Europa medieval del siglo XIII, el obispo inglés Robert Grosseteste escribió sobre una amplia gama de temas científicos y discutió la luz desde cuatro puntos de vista diferentes: la epistemología de la luz, la metafísica o cosmogonía de la luz, la etiología o física de la luz, y la teología de la luz [19] , basada en los escritos de Aristóteles y el platonismo. El estudiante más famoso de Grosseteste, Roger Bacon , escribió obras que citan una amplia gama de obras recientemente traducidas sobre óptica y filosofía, incluidas obras de Alhazen, Aristóteles, Avicena , Averroes , Euclid, al-Kindi, Ptolomeo, Tideus y Constantine Africanus . Bacon pudo usar partes de esferas de vidrio como lupas para demostrar que la luz se refleja en los objetos en lugar de provenir de ellos.

Las primeras gafas portátiles se inventaron en Italia alrededor de 1286 [20] . Este fue el comienzo de la industria óptica de esmerilar y pulir las lentes de estas "gafas", primero en Venecia y Florencia en el siglo XIII, y luego en los centros de fabricación de gafas de los Países Bajos y Alemania [21] . Los fabricantes de anteojos crearon tipos mejorados de lentes para la corrección de la visión basándose más en el conocimiento empírico obtenido al observar los efectos de los lentes que en la teoría óptica elemental de la época (una teoría que en su mayor parte ni siquiera podía explicar adecuadamente cómo funcionan los anteojos) [22 ] [23] . Este desarrollo práctico, la artesanía y la experimentación con lentes llevaron directamente a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595 y el telescopio refractor en 1608, los cuales se originaron en los centros de fabricación de anteojos en los Países Bajos [24] .

A principios del siglo XVII, Johannes Kepler complementó la óptica geométrica en sus escritos al considerar lentes, la reflexión de espejos planos y curvos, los principios de las cámaras estenopeicas , la ley del inverso del cuadrado que gobierna la intensidad de la luz y explicaciones ópticas de fenómenos astronómicos como el lunar y el solar . eclipses y paralaje astronómico . También fue capaz de identificar correctamente el papel de la retina como órgano real de grabación de imágenes y, finalmente, pudo cuantificar científicamente los efectos de varios tipos de lentes que los fabricantes de gafas habían observado durante los 300 años anteriores [25] . Tras la invención del telescopio, Kepler expuso las bases teóricas de su funcionamiento y describió una versión mejorada, conocida como telescopio Kepler , que utiliza dos lentes convexas para obtener mayores aumentos [26] .

La teoría óptica se desarrolló a mediados del siglo XVII con los tratados escritos por el filósofo René Descartes , que explicaban muchos fenómenos ópticos, incluyendo la reflexión y la refracción, asumiendo que la luz era emitida por los objetos que la creaban [27] . Esto difería sustancialmente de la antigua teoría griega de la radiación . A fines de la década de 1660 y principios de la de 1670, Isaac Newton amplió las ideas de Descartes en una teoría corpuscular de la luz , determinando que la luz blanca es una mezcla de colores que se pueden separar en sus componentes usando un prisma . En 1690, Christian Huygens propuso una teoría ondulatoria de la luz basada en las especulaciones de Robert Hooke en 1664. El mismo Hooke criticó públicamente las teorías de la luz de Newton, y la enemistad entre los dos duró hasta la muerte de Hooke. En 1704, Newton publicó Óptica y , en ese momento, debido en parte a sus avances en otras áreas de la física, generalmente se lo consideraba el ganador en los debates sobre la naturaleza de la luz.

La óptica newtoniana fue generalmente aceptada hasta principios del siglo XIX, cuando Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel realizaron experimentos de interferencia de luz que establecieron firmemente la naturaleza ondulatoria de la luz. El famoso experimento de la doble rendija de Young mostró que la luz sigue el principio de superposición , que es una propiedad ondulatoria no predicha por la teoría de los corpúsculos de Newton. Este trabajo condujo al surgimiento de la teoría de la difracción de la luz y abrió toda un área de investigación en óptica física [28] . La óptica ondulatoria se combinó con éxito con la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell en la década de 1860 [29] .

El mayor desarrollo de la teoría óptica tuvo lugar en 1899, cuando Max Planck modeló correctamente la radiación del cuerpo negro , suponiendo que el intercambio de energía entre la luz y la materia ocurre solo en pequeñas porciones, a las que llamó cuantos [30] . En 1905, Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico, que establecía firmemente la cuantización de la propia luz [31] [32] . En 1913, Niels Bohr demostró que los átomos solo pueden emitir energía en fragmentos, lo que explica las líneas discretas observadas en los espectros de emisión y absorción [33] . La comprensión de la interacción entre la luz y la materia que siguió a estos avances no solo formó la base de la óptica cuántica, sino que también fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. La culminación última, la teoría de la electrodinámica cuántica , explica todos los procesos ópticos y electromagnéticos en general como resultado del intercambio de fotones reales y virtuales [34] . La óptica cuántica ganó importancia práctica con la invención del máser en 1953 y el láser en 1960 [35] .

Siguiendo el trabajo de Paul Dirac en la teoría cuántica de campos , George Sudarshan , Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en las décadas de 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y las propiedades estadísticas de la luz.

Características de la luz

La longitud de la onda luminosa depende de la velocidad de propagación de la onda en el medio y está relacionada con ésta y la frecuencia por la razón: $\lambda$ $v$ $\nu$

\lambda ={\frac {v}{\nu }}={\frac {c}{n\nu }},

donde es el índice de refracción del medio. En general, el índice de refracción de un medio es función de la longitud de onda: . La dependencia del índice de refracción de la longitud de onda se manifiesta en forma del fenómeno de la dispersión de la luz . $norte$ $n=n(\lambda)$

Las características de la luz son:

composición espectral determinada por el rango de longitud de onda de la luz.
una extensa clase de magnitudes fotométricas , entre las que, según la amplitud de uso, se distinguen las magnitudes fotométricas de energía y luz .
polarización , determinada por el cambio en la orientación espacial del vector eléctrico a medida que la onda se propaga a través del espacio.
la dirección de propagación del haz de luz , coincidiendo con la dirección de la normal al frente de onda (en ausencia del fenómeno de birrefringencia ) [36] .

La velocidad de la luz

Un concepto universal en física es la velocidad de la luz . Su valor en el vacío no es solo la velocidad límite de propagación de las oscilaciones electromagnéticas de cualquier frecuencia, sino también en general la velocidad límite de propagación de la información o cualquier impacto en los objetos materiales. Cuando la luz se propaga en varios medios , la velocidad de fase de la luz suele disminuir: , donde es el índice de refracción del medio, que caracteriza sus propiedades ópticas y depende de la frecuencia de la luz: . En la región de dispersión anómala de la luz , el índice de refracción puede ser inferior a la unidad y la velocidad de fase de la luz es superior a . La última afirmación no contradice la teoría de la relatividad , ya que la transmisión de información mediante la luz no ocurre con fase, sino, por regla general, con velocidad de grupo . $C$ $v$ $v=c/n$ $norte$ $n=n(\nu)$ $C$

Óptica clásica

En la óptica clásica, hay dos secciones principales: la óptica geométrica (o de rayos) y la óptica física (u ondulatoria). En la óptica geométrica, se supone que la luz viaja a lo largo de trayectorias rectas, mientras que en la óptica ondulatoria, la luz se trata como una onda electromagnética.

La óptica geométrica se puede considerar como la primera aproximación a la óptica ondulatoria, que se aplica cuando la longitud de onda de la luz utilizada es mucho más pequeña que el tamaño de los elementos ópticos en el sistema que se está modelando.

Óptica geométrica

La óptica geométrica , u óptica de rayos , describe la propagación de la luz en forma de "haces" que muestran la trayectoria de la luz moviéndose en línea recta y cuyos caminos se rigen por las leyes de reflexión y refracción en las interfaces entre diferentes medios [37] . Estas leyes se establecieron empíricamente ya en el año 984 d . C. [11] y se han utilizado en el desarrollo de componentes y herramientas ópticas desde entonces hasta la actualidad. Se pueden resumir de la siguiente manera:

Cuando un rayo de luz golpea el límite entre dos materiales transparentes, se divide en rayos reflejados y refractados.

La ley de la reflexión establece que el haz reflejado se encuentra en el plano de incidencia y el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. La ley de la refracción establece que el rayo refractado se encuentra en el plano de incidencia, y el seno del ángulo de incidencia dividido por el seno del ángulo de refracción es una constante:

{\ Displaystyle {\ frac {\ sin {\ theta _ {1}}} {\ sin {\ theta _ {2}}}} = n}

donde n es una constante para dos materiales cualesquiera y un color dado (longitud de onda) de luz. Si el primer material es aire o vacío, n es el índice de refracción del segundo material.

Las leyes de la reflexión y la refracción se pueden derivar del principio de Fermat, que establece que el camino recorrido por un rayo de luz entre dos puntos es el camino que se puede recorrer en el menor tiempo [38] .

Aproximaciones

La óptica geométrica a menudo se simplifica utilizando la aproximación paraxial o de "ángulo pequeño". Luego, el comportamiento matemático de las cantidades que nos interesan se vuelve lineal, lo que permite describir componentes y sistemas ópticos utilizando matrices simples. Esto conduce a los métodos de óptica gaussiana y trazado de rayos paraxiales , que se utilizan para determinar las propiedades básicas de los sistemas ópticos, como la posición aproximada y la ampliación de una imagen y un objeto [39] .

Reflexiones

Las reflexiones se pueden dividir en dos tipos: reflexión especular y reflexión difusa . La reflexión especular describe el brillo de superficies como espejos que reflejan la luz de una manera simple y predecible. Esto le permite crear imágenes reflejadas que están asociadas con una ubicación real ( real ) o extrapolada ( virtual ) en el espacio. La reflexión difusa describe materiales no brillantes como el papel o la piedra. Los reflejos de estas superficies solo se pueden describir estadísticamente, con una distribución precisa de la luz reflejada que depende de la estructura microscópica del material. Muchos reflectores difusos se describen o pueden aproximarse a la ley del coseno de Lambert , que se utiliza para superficies del mismo brillo cuando se ven desde cualquier ángulo. Las superficies brillantes pueden dar reflejos tanto especulares como difusos.

En la reflexión especular, la dirección del rayo reflejado está determinada por el ángulo en el que el rayo incidente forma una normal a la superficie, una línea perpendicular a la superficie en el punto donde incide el rayo. Los rayos incidente y reflejado y la normal se encuentran en el mismo plano, y el ángulo entre el rayo reflejado y la normal a la superficie coincide con el ángulo entre el rayo incidente y la normal [40] . Esta observación se conoce como la ley de la reflexión .

Para los espejos planos , la ley de la reflexión implica que las imágenes de los objetos están en posición vertical y a la misma distancia detrás del espejo que los objetos frente al espejo. El tamaño de la imagen es el mismo que el tamaño del objeto. La ley también implica que las imágenes especulares tienen paridad invertida, lo que el ojo percibe como una inversión de izquierda a derecha. Las imágenes formadas como resultado de la reflexión en dos (o cualquier número par) espejos no se invierten en paridad. Los reflectores de esquina crean rayos reflejados que regresan en la dirección de donde provienen los rayos incidentes [40] . Este dispositivo se llama reflector .

Los espejos con superficies curvas se pueden modelar utilizando el trazado de rayos y la ley de reflexión en cada punto de la superficie. Para espejos con superficies parabólicas , los rayos paralelos que inciden en el espejo producen rayos reflejados que convergen en un foco común . Otras superficies curvas también pueden enfocar la luz, pero con aberraciones de formas divergentes que desdibujan el foco en el espacio. En particular, los espejos esféricos exhiben aberración esférica . Los espejos curvos pueden formar imágenes con un aumento mayor o menor que uno, y el aumento puede ser negativo, lo que indica que la imagen está invertida. Una imagen vertical formada por un reflejo en un espejo siempre es virtual, mientras que una imagen invertida es real y puede proyectarse en una pantalla [40] .

Refracción

La refracción ocurre cuando la luz pasa a través de una región del espacio con un índice de refracción modificado; este principio permite utilizar lentes para enfocar la luz. El caso más simple de refracción ocurre cuando hay una interfaz entre un medio homogéneo con un índice de refracción y otro medio con un índice de refracción . En tales situaciones , la ley de Snell describe la desviación resultante del haz de luz: $n_{1}$ $n_{2}$

n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\

donde y son los ángulos entre la normal (a la interfase) y los rayos incidente y refractado, respectivamente [40] . $\ theta _ {1}$ $\ theta _ {2}$

El índice de refracción de un medio está relacionado con la velocidad de fase v de la luz en este medio por la relación

{\ estilo de visualización n = c/v}

donde c es la velocidad de la luz en el vacío .

La ley de Snell se puede utilizar para predecir la desviación de los rayos de luz cuando pasan a través de un medio lineal, dados sus índices de refracción y su geometría. Por ejemplo, la propagación de la luz a través de un prisma hace que el haz de luz se desvíe según la forma y la orientación del prisma. En la mayoría de los materiales, el índice de refracción también depende de la frecuencia de la luz. Con esto en mente, la ley de Snell se puede usar para predecir cómo un prisma dividirá la luz en un espectro. El descubrimiento del fenómeno del paso de la luz a través de un prisma se atribuye a Isaac Newton [40] .

Algunos medios tienen un índice de refracción que cambia gradualmente con las coordenadas y, por lo tanto, las trayectorias de los rayos de luz en el medio son curvas. Este efecto es responsable, en particular , de los espejismos observados en los días calurosos: el cambio en el índice de refracción del aire con la altura hace que los rayos de luz se desvíen, dando la apariencia de reflejos especulares a distancia (como cuando se refleja en la superficie de un cuerpo). de agua). Los materiales ópticos con índices de refracción variables se denominan materiales de índice de refracción graduado (GRIN). Dichos materiales se utilizan para fabricar elementos ópticos con un índice de refracción de gradiente [41] .

Para los rayos de luz que viajan desde un material con un índice de refracción alto a un material con un índice de refracción bajo, la ley de Snell predice que no hay ángulo , en algunos valores grandes de . En este caso, no hay paso de un haz de luz al segundo medio, y toda la luz se refleja. Este fenómeno se denomina reflexión interna total y permite el uso de la tecnología de fibra óptica. Cuando la luz viaja a través de una fibra óptica, sufre una reflexión interna total, lo que permite que prácticamente no se pierda luz a lo largo del cable [40] . $\ theta _ {2}$ $\ theta _ {1}$

Lentes

Un dispositivo que produce rayos de luz convergentes o divergentes debido a la refracción se conoce como lente . Las lentes se caracterizan por su distancia focal : una lente convergente tiene una distancia focal positiva y una lente divergente tiene una distancia focal negativa. Una distancia focal más corta significa que la lente tiene un efecto de convergencia o divergencia más fuerte. La distancia focal de una lente simple en el aire viene dada por la ecuación de la lente [42] .

El trazado de rayos se puede utilizar para explicar la formación de imágenes de lentes. Para una lente delgada en el aire, la posición de la imagen viene dada por una ecuación simple

{\frac {1}{S_{1}}}+{\frac {1}{S_{2}}}={\frac {1}{f}}

donde es la distancia del objeto a la lente, es la distancia de la lente a la imagen y es la distancia focal de la lente. En la convención de signos utilizada aquí , las distancias entre un objeto y una imagen son positivas si el objeto y la imagen están en lados opuestos de la lente [42] . $S_{1}$ $S_{2}$ $F$

Los rayos paralelos entrantes son enfocados por una lente convergente en un punto a una distancia focal de distancia de la lente, en el lado más alejado de la lente. Esto se llama el punto focal trasero de la lente. Los rayos de un objeto a una distancia finita se enfocan más lejos de la lente que la distancia focal; cuanto más cerca está el objeto de la lente, más lejos está la imagen de ella.

En el caso de lentes divergentes, los rayos paralelos entrantes divergen después de pasar a través de la lente de tal manera que parecen emanar de un punto a una distancia focal frente a la lente. Este es el punto focal frontal de la lente. Los rayos de un objeto ubicado a una distancia finita están asociados con una imagen virtual que está más cerca de la lente que del punto de enfoque y en el mismo lado de la lente que el objeto. Cuanto más cerca esté el objeto de la lente, más cerca estará la imagen virtual. Al igual que con los espejos, las imágenes verticales producidas por una sola lente son virtuales, mientras que las imágenes invertidas son reales [40] .

Las lentes sufren aberraciones que distorsionan la imagen. Las aberraciones monocromáticas ocurren porque la geometría de la lente no permite que los rayos se dirijan de manera ideal desde un punto del objeto a un punto en la imagen, mientras que la aberración cromática ocurre debido al hecho de que el índice de refracción de la lente varía según la longitud de onda de luz [40] .

Óptica de ondas

En óptica ondulatoria, se considera que la luz se propaga como una onda. Este modelo predice fenómenos como la interferencia y la difracción, que no se explican en términos de óptica geométrica. La velocidad de las ondas de luz en el aire es de aproximadamente 3,0 × 10 8 m/s (exactamente 299 792 458 m/s en el vacío ). La longitud de onda de la luz visible se encuentra en el rango de 400 a 700 nm, pero el término "luz" también se aplica a menudo a la radiación en las regiones infrarroja (0,7-300 micras) y ultravioleta (10-400 nm) del espectro.

El modelo de ondas se puede utilizar para predecir el comportamiento de un sistema óptico sin necesidad de una explicación de qué "vibra" en qué medio. Hasta mediados del siglo XIX, la mayoría de los físicos creían en un medio "etéreo" en el que se propaga la perturbación de la luz [43] . La existencia de ondas electromagnéticas fue predicha en 1865 por las ecuaciones de Maxwell . Estas ondas se propagan a la velocidad de la luz y tienen diferentes campos eléctricos y magnéticos ortogonales entre sí así como a la dirección de propagación. Las ondas de luz ahora se tratan generalmente como ondas electromagnéticas, excepto cuando es necesario tener en cuenta los efectos de la mecánica cuántica.

Modelado y diseño de sistemas ópticos mediante óptica ondulatoria

Muchas aproximaciones simplificadas están disponibles para el análisis y diseño de sistemas ópticos. La mayoría de ellos utilizan una sola cantidad escalar para representar el campo eléctrico de una onda de luz, en lugar de un modelo vectorial con campos eléctricos y magnéticos ortogonales [44] . La ecuación de Huygens-Fresnel es uno de esos modelos. Fue obtenido empíricamente por Fresnel en 1815 sobre la base de la hipótesis de Huygens de que cada punto del frente de onda genera un frente de onda esférico secundario, que Fresnel combinó con el principio de superposición de ondas . La ecuación de difracción de Kirchhoff , que se deriva utilizando las ecuaciones de Maxwell, coloca a la ecuación de Huygens-Fresnel sobre una base física más sólida. Se pueden encontrar ejemplos de aplicaciones del principio de Huygens-Fresnel en artículos sobre difracción y difracción de Fraunhofer .

Se requieren modelos más rigurosos, incluida la simulación de una onda de luz usando campos eléctricos y magnéticos, cuando se trabaja con materiales cuyas propiedades eléctricas y magnéticas afectan la interacción de la luz con el material. Por ejemplo, el comportamiento de una onda de luz al interactuar con una superficie metálica es muy diferente de lo que sucede cuando la luz interactúa con un material dieléctrico. El modelo vectorial también debe usarse para simular luz polarizada.

Los métodos de simulación numérica , como el método de elementos finitos , el método de elementos de contorno y el método matricial para describir líneas de transmisión, se pueden utilizar para modelar la propagación de la luz en sistemas que no se pueden resolver analíticamente. Dichos modelos requieren computación y generalmente se usan solo para resolver problemas a pequeña escala que requieren una precisión superior a la que se puede lograr utilizando soluciones analíticas [45] .

Todos los resultados de la óptica geométrica se pueden reconstruir utilizando métodos de la óptica de Fourier , que están relacionados con muchos de los mismos métodos matemáticos y analíticos que se utilizan en ingeniería acústica y procesamiento de señales .

La propagación de haz gaussiano es un modelo óptico de onda paraxial simple para la propagación de radiación coherente aplicada a haces láser. Este método tiene en cuenta parcialmente la difracción, lo que permite un cálculo preciso de la velocidad a la que se expande el rayo láser con la distancia recorrida y el tamaño mínimo al que se puede enfocar el rayo. Por lo tanto, el método de propagación del haz gaussiano elimina la brecha entre la óptica geométrica y ondulatoria [46] .

Superposición e interferencia

En ausencia de efectos no lineales , el principio de superposición se puede usar para predecir la forma de las señales que interactúan simplemente agregando perturbaciones. Esta interacción de ondas para crear el patrón resultante se conoce comúnmente como "interferencia" y puede provocar una variedad de efectos. Si dos ondas con la misma longitud de onda y frecuencia están en fase , entonces las crestas y valles de las ondas coinciden. Esto conduce a una interferencia constructiva y un aumento en la amplitud de la onda, que para la luz se asocia con un rayo en este punto máximo. De lo contrario, si dos ondas con la misma longitud de onda y frecuencia están desfasadas, las crestas de las ondas coincidirán con los valles de las ondas y viceversa. Esto conduce a una interferencia destructiva ya una disminución de la amplitud de la onda, que en el caso de la luz se asocia con un oscurecimiento en este punto mínimo. Vea una ilustración de este efecto a continuación [47] .

forma de onda combinada
ola 1
ola 2
	Dos ondas en fase	Dos ondas en antifase (180°)

Dado que el principio de Huygens-Fresnel establece que cada punto del frente de onda está asociado con la creación de una nueva perturbación, el frente de onda puede interferir constructivamente o destructivamente consigo mismo en diferentes puntos del espacio, creando bandas brillantes y oscuras con patrones regulares y predecibles [47]. ] . La interferometría es la ciencia de medir estas estructuras, comúnmente utilizada como un medio para determinar con precisión distancias o resolución angular [48] . El interferómetro de Michelson utilizó efectos de interferencia para medir con precisión la velocidad de la luz [49] .

La apariencia de películas delgadas y recubrimientos depende directamente de los efectos de interferencia. Los revestimientos antirreflectantes utilizan interferencias destructivas para reducir la reflectividad de las superficies revestidas y pueden usarse para minimizar el deslumbramiento y los reflejos no deseados. El caso más simple es un recubrimiento de una sola capa con un espesor de un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente. Luego, la onda reflejada desde la parte superior de la película y la onda reflejada desde la interfaz película/material están desfasadas exactamente 180°, lo que provoca una interferencia destructiva. Las ondas están desfasadas solo en una longitud de onda, que generalmente se elige cerca del centro del espectro visible, alrededor de 550 nm. Los diseños más complejos que utilizan múltiples capas pueden proporcionar una baja reflectividad en un amplio rango o una reflectancia extremadamente baja en una sola longitud de onda.

La interferencia estructural en películas delgadas puede crear fuertes reflejos de luz en un rango de longitudes de onda que pueden ser estrechos o anchos según el diseño del recubrimiento. Estas películas se utilizan para hacer espejos dieléctricos , filtros de interferencia , reflectores de calor y filtros de separación de color en cámaras de televisión en color. Este efecto de interferencia también es responsable de los coloridos patrones iridiscentes en las manchas de petróleo [47] .

Difracción y resolución óptica

La difracción es el proceso mediante el cual se observa con más frecuencia la interferencia de la luz. El efecto fue descrito por primera vez en 1665 por Francesco Maria Grimaldi , quien también acuñó el término del latín difringere , "romper". Más adelante en el siglo, Robert Hooke e Isaac Newton también describieron este fenómeno, que ahora se conoce como difracción del anillo de Newton [50], mientras que James Gregory registró sus observaciones de los patrones de difracción de las plumas de las aves [51] .

El primer modelo de difracción basado en el principio de Huygens-Fresnel fue desarrollado en 1803 por Thomas Young en sus experimentos de interferencia con los patrones de interferencia de dos rendijas estrechamente espaciadas. Young demostró que sus resultados solo podían explicarse si las dos rendijas actuaban como dos fuentes únicas de ondas de luz en lugar de corpúsculos [52] . En 1815 y 1818, Augustin-Jean Fresnel dio una descripción matemática de cómo la interferencia de ondas podría explicar la difracción [42] .

Los modelos físicos más simples de difracción usan ecuaciones que describen la separación angular de las bandas claras y oscuras debido a la luz de una cierta longitud de onda (λ). En general, la ecuación toma la forma

m\lambda =d\sin\theta

donde es la distancia entre las dos fuentes del frente de onda (en el caso de los experimentos de Young, estas eran dos rendijas ), es la distancia angular entre la banda central y la banda del orden donde se observa el máximo central en [53] . $d$ $\ theta$ $metro$ $metro=0$

Esta ecuación se modifica ligeramente para tener en cuenta diferentes situaciones, como la difracción a través de una sola rendija, la difracción a través de varias rendijas o la difracción a través de una red de difracción que contiene un gran número de rendijas con la misma distancia entre átomos [53] . Los modelos de difracción más complejos requieren el uso de la teoría de difracción de Fresnel o Fraunhofer [54] .

La difracción de rayos X explota el hecho de que los átomos en un cristal están espaciados a distancias iguales entre sí del orden de un angstrom . Para ver los patrones de difracción, se hacen pasar a través del cristal rayos X con longitudes de onda cercanas a esta distancia. Dado que los cristales son objetos tridimensionales y no redes bidimensionales, el patrón de difracción correspondiente cambia en dos direcciones de acuerdo con la reflexión de Bragg , y los puntos brillantes correspondientes aparecen en patrones únicos (para cada cristal) y el doble de la distancia entre los átomos [53]. ] . $d$

Los efectos de difracción limitan la capacidad de un detector óptico para resolver fuentes de luz individuales. En general, la luz que pasa a través de una apertura experimentará difracción, y las mejores imágenes que se pueden producir (como lo describe la óptica cuando se acerca al límite de difracción ) aparecen como un punto central con anillos brillantes circundantes separados por áreas oscuras; este patrón se conoce como el patrón de Airy , y el área brillante central se conoce como el disco de Airy [42] . El tamaño de dicho disco está determinado por la expresión

\sin \theta =1,22{\frac {\lambda}{D))

donde θ es la resolución angular, λ es la longitud de onda de la luz y D es el diámetro de apertura de la lente. Si la distancia angular entre dos puntos es mucho menor que el radio angular del disco de Airy, entonces los dos puntos no se pueden resolver en la imagen, pero si su distancia angular es mucho mayor, se forman imágenes separadas de los dos puntos y se pueden ser resuelto. Rayleigh definió el " criterio de Rayleigh " experimental según el cual se pueden considerar resueltos dos puntos cuya separación angular es igual al radio del disco de Airy (medido hasta el primer cero, es decir, hasta el primer lugar donde se observa el apagón). Se puede observar que cuanto mayor es el diámetro de la lente o su apertura final, más nítida es la resolución [53] . La interferometría astronómica , con su capacidad para simular aperturas de base extremadamente grandes, proporciona la resolución angular más alta posible [48] .

Al construir imágenes astronómicas, la atmósfera no logra una resolución óptima en el espectro visible debido a la dispersión y dispersión atmosférica, que provocan el centelleo de las estrellas. Los astrónomos se refieren a este efecto como la cualidad de la visibilidad astronómica . Estas técnicas, conocidas como técnicas de óptica adaptativa , se han utilizado para eliminar la distorsión atmosférica en las imágenes y lograr resultados que se acerquen al límite de difracción.

Dispersión y esparcimiento

Los procesos de refracción ocurren en el campo de aplicación de la óptica ondulatoria, donde la longitud de onda de la luz es similar a otras distancias, como una especie de dispersión. El tipo más simple de dispersión es la dispersión de Thomson , que ocurre cuando las ondas electromagnéticas son desviadas por partículas individuales. En el límite de la dispersión de Thomson, en la que la naturaleza ondulante de la luz es evidente, la luz se dispersa independientemente de la frecuencia, en contraste con la dispersión de Compton , que depende de la frecuencia y es un proceso estrictamente mecánico cuántico que involucra la naturaleza de partículas de la luz. En un sentido estadístico, la dispersión elástica de la luz por numerosas partículas que son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz es un proceso conocido como dispersión de Rayleigh , mientras que un proceso similar de dispersión por partículas de la misma o mayor longitud de onda se conoce como dispersión de Mie . lo que resulta en el efecto Tyndall . Una pequeña fracción de luz dispersada por átomos o moléculas puede sufrir dispersión Raman , en la que la frecuencia de la luz cambia debido a la excitación de los átomos y moléculas. La dispersión de Mandelstam-Brillouin ocurre cuando la frecuencia de la luz cambia debido a cambios locales en el tiempo y las vibraciones de un material denso [55] .

La dispersión ocurre cuando diferentes frecuencias del espectro electromagnético tienen diferentes velocidades de fase debido a las propiedades del material (dispersión del material) o la geometría de la guía de ondas ópticas ( dispersión de la guía de ondas ). La forma de dispersión más conocida es la disminución del índice de refracción al aumentar la longitud de onda, que se observa en la mayoría de los materiales transparentes. Este fenómeno se denomina “dispersión normal”. Se observa en todos los materiales dieléctricos en aquellos rangos de longitud de onda donde el material no absorbe luz [56] . En rangos de longitud de onda donde el medio tiene una absorción significativa, el índice de refracción puede aumentar al aumentar la longitud de onda. Este fenómeno se denomina "dispersión anómala" [40] .

La separación de colores por un prisma es un ejemplo de dispersión normal. En la superficie de un prisma, la ley de Snell predice que la luz que incide en un ángulo θ con respecto a la normal se refractará en un ángulo arcsen (sen(θ)/ n ). Así, la luz azul, con su mayor índice de refracción, se desvía más que la luz roja, dando como resultado el conocido patrón de arco iris [40] .

La dispersión de un material a menudo se caracteriza por el número de Abbe , que brinda una medida simple de dispersión basada en el índice de refracción para tres longitudes de onda específicas. La dispersión de la guía de ondas depende de la constante de propagación [42] . Ambos tipos de dispersión provocan cambios en las características de grupo de la onda, es decir, las propiedades del paquete de ondas, que cambian con la misma frecuencia que la amplitud de la onda electromagnética. La "dispersión de velocidad de grupo" aparece como una dispersión de la señal "envolvente" de radiación y se puede cuantificar utilizando el parámetro de retardo de dispersión de grupo:

D={\frac {1}{v_{g}^{2}}}{\frac {dv_{g}}{d\lambda }}

donde es la velocidad de grupo de la onda [57] . Para un medio homogéneo, la velocidad de grupo es $v_{g}$

v_{g}=c\left(n-\lambda {\frac {dn}{d\lambda }}\right)^{-1}

donde n es el índice de refracción y c es la velocidad de la luz en el vacío [58] . Esto da una forma más simple para el parámetro de retardo de dispersión:

D=-{\frac {\lambda {c}}\,{\frac {d^{2}n}{d\lambda ^{2}}}.

Si D es menor que cero, se dice que el medio tiene varianza positiva o varianza normal. Si D es mayor que cero, entonces el medio tiene dispersión negativa . Si un pulso de luz se propaga a través de un medio con dispersión normal, el resultado es que los componentes de mayor frecuencia se ralentizan más que los componentes de menor frecuencia. El pulso se convierte así en modulación lineal positiva , o impulso , cuya frecuencia aumenta con el tiempo. Esto hace que el espectro de luz que sale del prisma se vea como si la luz roja fuera la menos refractada y la luz azul o violeta la más desviada. Por el contrario, si el pulso pasa a través de un medio con dispersión anómala (negativa), los componentes de alta frecuencia viajan más rápido que los componentes de baja frecuencia y el pulso se modula linealmente negativamente o se desplaza hacia abajo , disminuyendo en frecuencia con el tiempo [59] .

El resultado de la dispersión de la velocidad del grupo, positiva o negativa, es finalmente la dispersión del impulso en el tiempo. Esto hace que la gestión de la dispersión sea extremadamente importante en los sistemas de comunicación óptica basados en fibra , porque si la dispersión es demasiado alta, cada grupo de pulsos que transmite información se dispersará en el tiempo y se fusionará, lo que imposibilitará extraer una señal útil [57] .

Polarización

La polarización es una propiedad general de las ondas que describe la orientación de sus oscilaciones. Para ondas transversales, como muchas ondas electromagnéticas, describe la orientación de las oscilaciones en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Las oscilaciones pueden orientarse en una dirección ( polarización lineal ), o la dirección de las oscilaciones puede girar a medida que se propaga la onda ( polarización circular o elíptica ). Las ondas con polarización circular pueden girar hacia la derecha o hacia la izquierda con respecto a la dirección del movimiento, y cuál de estas dos rotaciones está presente en la onda se llama quiralidad de la onda [60] .

Una forma típica de ver la polarización es rastrear la orientación del vector de campo eléctrico a medida que se propaga la onda electromagnética. El vector de campo eléctrico de una onda plana se puede dividir aproximadamente en dos componentes perpendiculares , denominadas x e y (donde el vector z indica la dirección del movimiento). La forma delineada en el plano xy por el vector de campo eléctrico es la figura de Lissajous , que describe el estado de polarización [42] . Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos de la evolución del vector campo eléctrico (azul) a lo largo del tiempo (ejes verticales) en un punto particular del espacio, junto con sus componentes x e y (roja/izquierda y verde/derecha) y la trayectoria trazada por el vector en el plano (púrpura): se observará la misma dependencia del tiempo si observa el campo eléctrico en un momento particular en el tiempo cuando un punto se mueve en el espacio en la dirección opuesta a la propagación de la onda.

polarización lineal polarización circular polarización elíptica

En la figura del extremo izquierdo, las componentes x e y de la onda de luz están en fase. En este caso, la relación de sus magnitudes es constante, por lo que la dirección del vector eléctrico (la suma vectorial de estos dos componentes) es constante. Dado que la punta del vector describe una sola línea en el plano, este caso particular se denomina polarización lineal. La dirección de esta línea depende de las amplitudes relativas de las dos componentes del campo eléctrico [60] .

En la figura central, las dos componentes ortogonales tienen amplitudes iguales y están desfasadas 90°. En este caso, una componente del campo eléctrico es cero cuando la otra tiene una amplitud máxima o mínima. Hay dos posibles relaciones de fase que satisfacen este requisito: la componente x puede estar 90° por delante de la componente y, o puede estar 90° por detrás de la componente y. En este caso particular, el vector eléctrico traza un círculo en el plano, por lo que esta polarización se denomina polarización circular. La dirección de rotación en el círculo depende de cuál de las dos relaciones de fase se realice, y corresponde a la polarización circular derecha y la polarización circular izquierda [42] .

En todos los demás casos, cuando las dos componentes del campo eléctrico no tienen las mismas amplitudes y su diferencia de fase no es cero ni múltiplo de 90°, la polarización se denomina polarización elíptica porque el vector eléctrico traza una elipse en el plano (la elipse de polarización ). Esto se muestra en la figura de la derecha. Se realiza una descripción matemática detallada de la polarización utilizando el cálculo de Jones y se caracteriza por los parámetros de Stokes [42] .

Cambio de polarización

Los medios con diferentes índices de refracción para diferentes polarizaciones de onda se denominan birrefringentes [60] . Manifestaciones bien conocidas de este efecto se observan en placas de ondas ópticas ( para modos lineales) y en la rotación de Faraday , rotación óptica (para modos circulares) [42] . Si la longitud del camino en un medio birrefringente es suficiente, las ondas planas emergerán del material con direcciones de propagación significativamente cambiadas debido a la refracción. Por ejemplo, esto se aplica a los cristales macroscópicos de calcita , que muestran al observador dos imágenes desplazadas polarizadas ortogonalmente de todo lo que se ve a través de ellas. Fue este efecto el que ayudó a Erasmus Bartholin a descubrir la polarización de la luz en 1669. Además, el cambio de fase y, por lo tanto, el cambio en el estado de polarización, generalmente depende de la frecuencia, lo que, combinado con el dicroísmo , a menudo da como resultado colores brillantes y efectos iridiscentes. En mineralogía , tales propiedades, conocidas como pleocroísmo , se utilizan a menudo para identificar minerales utilizando microscopios polarizadores. Además, muchos plásticos que normalmente no son birrefringentes se vuelven birrefringentes cuando se someten a esfuerzos mecánicos , dando como resultado el fenómeno de la fotoelasticidad . Las técnicas que no usan birrefringencia para rotar la polarización lineal de los rayos de luz incluyen el uso de rotadores de polarización prismática , que usan la reflexión interna total en prismas compuestos diseñados para una transmisión de luz colineal eficiente [61] .

Los medios que reducen la amplitud de las ondas con cierta polarización se denominan dicroicos , mientras que los dispositivos que bloquean casi toda la radiación en cualquier modo se conocen como filtros polarizadores o simplemente " polarizadores ". La ley de Malus, llamada así por Étienne Louis Malus , establece que cuando se coloca un polarizador ideal en un haz de luz polarizado linealmente, la intensidad de la luz que lo atraviesa viene dada por

I=I_{0}\cos ^{2}\theta _{i}\quad ,

dónde

I 0 - intensidad inicial, y θi es el ángulo entre la dirección de polarización de la luz inicial y el eje del polarizador [60] .

Se puede pensar que un haz de luz no polarizada contiene una mezcla uniforme de polarizaciones lineales en todos los ángulos posibles. Dado que el promedio es 1/2, la transmitancia se convierte en ${\ estilo de visualización \ cos ^ {2} \ theta}$

{\frac {I}{I_{0}}}={\frac {1}{2}}\quad

En la práctica, parte de la luz se pierde en el polarizador, y la transmisión real de luz no polarizada será algo inferior a este valor, alrededor del 38 % para polarizadores tipo Polaroid, pero significativamente mayor (> 49,9 %) para algunos tipos de birrefringentes. prismas [42] .

Además de la birrefringencia y el dicroísmo en medios continuos, los efectos de polarización pueden ocurrir en un límite (reflexivo) entre dos materiales con diferentes índices de refracción. Este efecto se calcula utilizando las fórmulas de Fresnel . Parte de la onda pasa al segundo medio y parte se refleja, y esta relación depende del ángulo de incidencia y del ángulo de refracción. Así, la óptica ondulatoria predice el ángulo de Brewster [42] . Cuando la luz se refleja en una película delgada sobre una superficie, la interferencia entre los reflejos de las superficies de la película puede hacer que la luz reflejada y transmitida se polarice.

Luz natural

La mayoría de las fuentes de radiación electromagnética contienen una gran cantidad de átomos o moléculas que emiten luz. La orientación de los campos eléctricos producidos por estos emisores puede no estar correlacionada , en cuyo caso se dice que la luz no está polarizada . Si existe una correlación parcial entre los emisores, se dice que la luz está parcialmente polarizada . Si la polarización es constante en todo el espectro de la fuente, la luz parcialmente polarizada se puede describir como una superposición de un componente completamente no polarizado y uno completamente polarizado. Entonces se puede utilizar la descripción de la luz en términos del grado de polarización y los parámetros de la elipse de polarización [42] .

La luz reflejada por materiales transparentes brillantes está parcial o completamente polarizada, excepto cuando la luz se dirige perpendicularmente a la superficie. Fue este efecto el que permitió al matemático Étienne Louis Malus realizar mediciones que le permitieron desarrollar los primeros modelos matemáticos de la luz polarizada. La polarización puede ocurrir cuando la luz se dispersa en la atmósfera . La luz difusa crea el brillo y el color de un cielo despejado . Esta polarización parcial de la luz dispersa puede aprovecharse utilizando filtros polarizadores para oscurecer el cielo en las fotografías . La polarización óptica es de fundamental importancia en química debido al dicroísmo circular y la rotación óptica (" birrefringencia circular ") que presentan las moléculas ópticamente activas ( quirales ) [42] .

Óptica moderna

La óptica moderna cubre los campos de la óptica y la ingeniería que se hicieron populares en el siglo XX. Estas áreas de la óptica generalmente se ocupan de las propiedades electromagnéticas o cuánticas de la luz, pero también incluyen otros temas. La subsección principal de la óptica moderna es la óptica cuántica , que considera las propiedades mecánicas cuánticas de la luz. La óptica cuántica no es solo una teoría; El funcionamiento de algunos dispositivos modernos, como los láseres, se basa en los principios de funcionamiento explorados en la mecánica cuántica. Los detectores de luz, como los fotomultiplicadores y los kantrons , se utilizan para detectar fotones individuales. Los sensores de imagen electrónicos , como los CCD , exhiben un ruido de disparo consistente con las estadísticas de eventos de fotones individuales. Los principios de funcionamiento de los LED y las células fotovoltaicas tampoco se pueden entender sin utilizar el aparato de la mecánica cuántica. Al estudiar estos dispositivos, la óptica cuántica a menudo se cruza con la electrónica cuántica [62] .

Las áreas especiales de investigación óptica incluyen el estudio de cómo la luz interactúa con materiales específicos como la óptica de cristal y la óptica de metamateriales . Otras investigaciones se centran en la fenomenología de las ondas electromagnéticas en óptica singular , óptica sin imagen , óptica no lineal , óptica estadística y radiometría . Además , los ingenieros informáticos han mostrado interés en la óptica integrada , la visión artificial y la computación fotónica como posibles componentes de las computadoras de la "próxima generación" [63] .

Hoy en día, la ciencia pura de la óptica se denomina ciencia óptica, o física atómica y molecular , para distinguirla de las ciencias ópticas aplicadas, que se denominan ingeniería óptica . Las principales áreas de la ingeniería óptica incluyen la ingeniería de iluminación , la fotónica y la optoelectrónica , con aplicaciones prácticas como el diseño de lentes , la fabricación y prueba de componentes ópticos y el procesamiento de imágenes . Algunas de estas áreas se superponen, con límites borrosos entre términos temáticos que significan cosas ligeramente diferentes en diferentes partes del mundo y en diferentes industrias. La comunidad profesional de investigadores en óptica no lineal se ha formado en las últimas décadas debido a los avances en la tecnología láser [64] .

Láseres

Un láser es un dispositivo que emite luz, un tipo de radiación electromagnética, a través de un proceso llamado emisión estimulada . El término " láser" es una abreviatura del inglés inglés. Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación [ 65 ] . La luz láser suele ser espacialmente coherente , lo que significa que la luz se emite en un haz estrecho de baja divergencia o se puede convertir en haz utilizando componentes ópticos como lentes. Debido a que el equivalente de microondas de un láser, el máser, se desarrolló primero, los dispositivos que emiten microondas y radiofrecuencias se conocen comúnmente como máseres .

El primer láser funcional fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodor Maiman en los Laboratorios de Investigación Hughes [67] . Cuando se inventaron por primera vez, se les llamó "solución en busca de un problema" [68] . Desde entonces, los láseres se han convertido en una industria multimillonaria con miles de aplicaciones en una amplia variedad de aplicaciones. La primera aplicación de láser visible en la vida cotidiana de la población en general fue el escáner de código de barras de supermercado , introducido en 1974. El reproductor de discos láser , presentado en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso en incluir un láser, pero el reproductor de CD fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió verdaderamente común en los hogares de los consumidores a partir de 1982 [69] . Estos dispositivos de almacenamiento óptico utilizan un láser semiconductor de menos de un milímetro de ancho para escanear la superficie del disco con el fin de leer los datos. La comunicación por fibra óptica se basa en el uso de láseres para transmitir grandes cantidades de información a una velocidad comparable a la de la luz. Otros usos comunes de los láseres incluyen impresoras láser y punteros láser . Los láseres se utilizan en medicina en áreas como la cirugía sin sangre , la cirugía ocular con láser , la microdisección inmersiva con láser y en aplicaciones militares como los sistemas de defensa antimisiles , las contramedidas electroópticas (EOCM) y los lidars . Los láseres también se utilizan en hologramas , gráficos láser , espectáculos de luces láser y depilación láser [70] .

Efecto Kapitza-Dirac

El efecto Kapitza-Dirac hace que los haces de partículas se difracten como resultado del encuentro con una onda de luz estacionaria. Los rayos de luz se pueden usar para posicionar partículas de materia a través de varios fenómenos (ver pinzas ópticas ).

Aplicaciones

La óptica es parte de la vida cotidiana. La ubicuidad de los sistemas visuales en biología apunta al papel central de la óptica como la ciencia de uno de los cinco sentidos . Muchas personas se benefician de anteojos o lentes de contacto , y la óptica es parte integral del funcionamiento de muchos productos de consumo, incluidas las cámaras . Los arcoíris y los espejismos son ejemplos de fenómenos ópticos. Las comunicaciones ópticas proporcionan la base tanto para Internet como para la telefonía moderna .

El ojo humano

El ojo humano enfoca la luz en una capa de células fotorreceptoras llamada retina, que forma la superficie interna de la parte posterior del ojo. El enfoque se realiza mediante una serie de materiales transparentes. La luz que ingresa al ojo pasa primero a través de la córnea, que proporciona la mayor parte de la potencia óptica del ojo. Luego, la luz pasa a través del líquido justo detrás de la córnea, hacia la cámara anterior y luego pasa a través de la pupila . Luego, la luz pasa a través de una lente , que enfoca aún más la luz y permite ajustar el enfoque. Luego, la luz atraviesa la mayor parte del líquido del ojo, el humor vítreo , y llega a la retina. Las células de la retina cubren la parte posterior del ojo excepto la salida del nervio óptico; esto conduce a la existencia de un punto ciego .

Hay dos tipos de células fotorreceptoras, bastones y conos, que son sensibles a diferentes aspectos de la luz [71] . Los bastones son sensibles a la intensidad de la luz en una amplia gama de frecuencias y, por lo tanto, son responsables de la visión en blanco y negro . Los bastones no están presentes en la fóvea, la región de la retina responsable de la visión central, y no son tan sensibles como los conos a los cambios espaciales y temporales de la luz. Sin embargo, hay veinte veces más bastones en la retina que conos, porque los bastones están ubicados en un área más grande. Por eso, los bastones son los responsables de la visión periférica [72] .

Por el contrario, los conos son menos sensibles a la intensidad de la luz general, pero existen tres variedades que son sensibles a diferentes rangos de frecuencia y, por lo tanto, se utilizan para la percepción del color y la visión fotópica . Los conos están muy concentrados en la fóvea y son responsables de una alta agudeza visual, lo que significa que tienen mejor resolución espacial que los bastones. Dado que los conos no son tan sensibles a la luz tenue como los bastones, los bastones son responsables de la mayor parte de la visión nocturna . Del mismo modo, dado que las células de los conos se encuentran en la fóvea, la visión central (incluida la visión necesaria para leer, trabajar con pequeños detalles como coser o examinar objetos detenidamente) la llevan a cabo los conos [72] .

Los músculos ciliares alrededor del cristalino le permiten ajustar el enfoque del ojo. Este proceso se conoce como acomodación . El punto cercano y el punto lejano determinan las distancias más cercana y lejana de los ojos en las que se puede ver el objeto enfocado. Para una persona con visión normal, el punto lejano está en el infinito (horizonte). La ubicación del punto más cercano depende de cuánto pueden aumentar los músculos la curvatura del cristalino y de lo inflexible que se ha vuelto el cristalino con la edad. Los optometristas , oftalmólogos y ópticos generalmente consideran que el punto cercano apropiado está más cerca que la distancia de lectura normal de aproximadamente 25 cm [71] .

Los defectos visuales se pueden explicar utilizando principios ópticos. A medida que envejecemos, el cristalino se vuelve menos flexible y el punto cercano se aleja del ojo, una condición conocida como presbicia . Asimismo, las personas que sufren de hipermetropía no pueden reducir la distancia focal de sus lentes hasta el punto en que los objetos cercanos se visualizan en sus retinas. Por el contrario, las personas que no pueden aumentar la distancia focal de sus lentes hasta el punto de que los objetos distantes se muestren en la retina sufren de miopía y tienen un punto lejano que está mucho más cerca que el infinito (horizonte). La condición, conocida como astigmatismo , ocurre cuando la córnea no es esférica sino que se curva más en una dirección. Esto hace que los objetos alargados horizontalmente se enfoquen en partes de la retina diferentes de las partes en las que se enfoca la imagen de los objetos alargados verticalmente, lo que da como resultado una distorsión de la imagen [71] .

Todas estas condiciones se pueden corregir con lentes correctivos . En la presbicia y la hipermetropía, la lente convergente proporciona la curvatura adicional necesaria para acercar el punto cercano al ojo, mientras que en la miopía, la lente divergente proporciona la curvatura necesaria para enviar el punto lejano al infinito. El astigmatismo se corrige con una lente cilíndrica que se curva más en una dirección que en la otra para compensar las irregularidades de la córnea [73] .

La potencia óptica de las lentes correctoras se mide en dioptrías , es decir, el recíproco de la distancia focal medida en metros; con una distancia focal positiva correspondiente a una lente convergente y una distancia focal negativa correspondiente a una lente divergente. Para las lentes que también corrigen el astigmatismo, se dan tres números: uno para la potencia esférica, otro para la potencia cilíndrica y otro para el ángulo de orientación del astigmatismo [73] .

Efecto visual

Las ilusiones ópticas (también llamadas ilusiones visuales) se caracterizan por imágenes percibidas visualmente que difieren de la realidad objetiva. La información recopilada por el ojo se procesa en el cerebro y se percibe como diferente del objeto que se muestra. Las ilusiones ópticas pueden resultar de una variedad de fenómenos, incluidos los efectos físicos que crean imágenes que son diferentes de los objetos que las crean, los efectos fisiológicos de la sobreestimulación en los ojos y el cerebro (p. ej., brillo, inclinación, color, movimiento) y cambios cognitivos. ilusiones en las que el ojo y el cerebro sacan conclusiones inconscientes [74] .

Las ilusiones cognitivas resultan de la mala aplicación inconsciente de ciertos principios ópticos. Por ejemplo, las ilusiones de la habitación de Ames , Hering , Müller-Lyer , Orbison , Ponzo , Sander y Wundt se basan en la suposición de que la distancia aparece con líneas convergentes y divergentes, al igual que los rayos de luz paralelos (o incluso cualquier conjunto de líneas paralelas) parecen converger en un punto de fuga en el infinito en imágenes 2D con perspectiva artística [75] . Esta suposición también es responsable de la famosa ilusión de la luna , cuando la luna, a pesar de tener casi el mismo tamaño angular, parece mucho más grande cerca del horizonte que en el cenit [76] . Esta ilusión confundió tanto a Ptolomeo que incorrectamente la atribuyó a la refracción atmosférica cuando la describió en su tratado Óptica [8] .

Otro tipo de ilusión óptica utiliza patrones defectuosos para engañar a la mente para que perciba simetrías o asimetrías que no existen. Los ejemplos incluyen la pared del café , las ilusiones de Zöllner , Ehrenstein , Fraser y Poggendorff . Similares, pero no estrictamente ilusiones, son las regularidades que surgen de la superposición de estructuras periódicas. Por ejemplo, las telas transparentes con una estructura reticular crean formas conocidas como patrones muaré , mientras que la superposición de patrones transparentes periódicos que contienen líneas o curvas opacas paralelas da como resultado patrones muaré lineales [77] .

Instrumentos ópticos

Las lentes individuales tienen muchos usos, incluidas las lentes fotográficas , las lentes correctivas y las lupas, mientras que los espejos individuales se utilizan en reflectores parabólicos y espejos retrovisores . La combinación de múltiples espejos, prismas y lentes produce instrumentos ópticos compuestos que tienen aplicaciones prácticas. Por ejemplo, un periscopio son simplemente dos espejos planos alineados para que pueda ver su entorno desde detrás de un obstáculo. Los instrumentos ópticos compuestos más famosos en la ciencia son el microscopio y el telescopio, que fueron inventados por los holandeses a finales del siglo XVI [78] .

Los microscopios se diseñaron primero con dos lentes: una lente objetivo y un ocular . La lente del objetivo es esencialmente una lupa y tiene una distancia focal muy corta, mientras que un ocular suele tener una distancia focal más larga. Esto da como resultado imágenes ampliadas de objetos cercanos. Por lo general, se usa una fuente de luz adicional, ya que las imágenes ampliadas son más tenues debido a la conservación de energía y la dispersión de los rayos de luz sobre un área de superficie más grande. Los microscopios modernos, conocidos como microscopios compuestos, tienen más lentes (generalmente cuatro) para optimizar la funcionalidad y mejorar la estabilidad de la imagen [78] . Un tipo de microscopio ligeramente diferente, el microscopio de comparación , examina las imágenes cercanas para crear una imagen binocular estereoscópica que parece tridimensional cuando la usan los humanos [79] .

Los primeros telescopios, llamados telescopios refractivos, también se diseñaron con un solo objetivo y una lente ocular. A diferencia de un microscopio, la lente del objetivo de un telescopio tiene una distancia focal larga para evitar aberraciones ópticas. La lente enfoca la imagen de un objeto distante en su punto focal, que se ajusta para estar en el foco de un ocular con una distancia focal mucho más corta. El objetivo principal de un telescopio no es necesariamente ampliar, sino recoger luz, que está determinada por el tamaño físico de la lente del objetivo. Por lo tanto, generalmente se hace referencia a los telescopios por el diámetro de sus objetivos, no por el aumento, que se puede cambiar cambiando los oculares. Dado que el aumento de un telescopio es igual a la distancia focal del objetivo dividida por la distancia focal del ocular, los oculares con distancias focales más cortas producirán un mayor aumento [78] .

Dado que hacer lentes grandes es mucho más difícil que hacer espejos grandes, la mayoría de los telescopios modernos son telescopios reflectores (reflectores) , es decir, telescopios que usan un espejo primario en lugar de una lente objetivo. Las mismas consideraciones generales de óptica geométrica se aplican a los telescopios reflectores que se han aplicado a los telescopios refractivos, a saber, que cuanto más grande es el espejo principal, más luz se recoge y el aumento sigue siendo igual a la distancia focal del espejo principal dividida por la distancia focal. longitud del ocular. Los telescopios profesionales normalmente no tienen oculares y, en su lugar, se coloca un instrumento (a menudo un CCD ) en el punto focal [78] .

Fotografía

La óptica de la fotografía incluye tanto las lentes como el medio en el que se registra la radiación visible, ya sea una placa , una película o un dispositivo de carga acoplada. Los fotógrafos deben tener en cuenta la reciprocidad de la cámara y el plano, que se expresa mediante la relación

Exposición ∝ Área de apertura × Tiempo de exposición × Brillo de la escena [80]

En otras palabras, cuanto menor sea la apertura (lo que da una mayor profundidad de enfoque), menos luz entra, por lo que se debe aumentar la duración del tiempo (lo que lleva a un posible desenfoque de movimiento). Un ejemplo del uso de la ley de reciprocidad es la regla F/16 , que proporciona una estimación aproximada de los ajustes necesarios para estimar la exposición correcta a la luz del día [81] .

La apertura de una cámara se mide por un número adimensional llamado número f (apertura relativa), a menudo denotado como , y viene dado por $norte$

f/\#=N={\frac{f}{D}}\

donde es la distancia focal y es el diámetro de apertura. Por convención, "f/#" se trata como un solo carácter, y los valores específicos de f/# se escriben reemplazando el signo de almohadilla con el valor correspondiente. El aumento de la apertura se puede lograr disminuyendo el diámetro de la pupila de entrada o aumentando la distancia focal (en el caso de una lente de zoom, esto se puede lograr simplemente ajustando la lente). Los números f más altos también tienen una mayor profundidad de campo debido a que la lente se acerca al límite de la cámara estenopeica, que es capaz de enfocar perfectamente todas las imágenes independientemente de la distancia, pero requiere tiempos de exposición muy largos [82] . $F$ $D$

El campo de visión que proporcionará la lente varía según la distancia focal de la lente. Existen tres clasificaciones principales basadas en la relación entre el tamaño de la diagonal de la película o el tamaño del sensor de la cámara y la distancia focal del objetivo [83] .

Lente normal : un ángulo de visión de aproximadamente 50° (llamado normal porque este ángulo se considera aproximadamente equivalente a la visión humana [83] ) y la distancia focal es aproximadamente la diagonal de la película o el sensor [84] .
Lente Gran Angular : Un ángulo de visión de más de 60° y una distancia focal más corta que una lente convencional [85] .
Teleobjetivo : El ángulo de visión es más estrecho que el de un objetivo convencional. Esta es cualquier lente con una distancia focal mayor que la diagonal de la película o el sensor [86] . El tipo más común de teleobjetivo es el teleobjetivo , que utiliza un grupo de teleobjetivo especial que es físicamente más corto que su distancia focal [87] .

Los lentes de zoom modernos pueden tener algunos o todos estos atributos.

El valor absoluto del tiempo de exposición requerido depende de cuán sensible a la luz sea el medio utilizado (medido por la sensibilidad a la luz de la película o, para medios digitales, la eficiencia cuántica del detector) [88] . Las primeras fotografías usaban materiales con muy poca sensibilidad a la luz, por lo que los tiempos de exposición tenían que ser largos incluso para tomas muy brillantes. A medida que la tecnología mejoró, también lo hizo la sensibilidad de las cámaras digitales y de película [89] .

Otros resultados de la óptica ondulatoria y geométrica son aplicables a la óptica de cámaras. Por ejemplo, la resolución máxima de una configuración de cámara en particular está determinada por el límite de difracción asociado con el tamaño de la apertura y, en términos generales, el criterio de Rayleigh [90] .

Óptica atmosférica

Las propiedades ópticas únicas de la atmósfera dan lugar a una amplia gama de fenómenos ópticos impresionantes. El color azul del cielo es un resultado directo de la dispersión de Rayleigh, que redirige la luz solar de mayor frecuencia (azul) de regreso al campo de visión del observador. Debido a que la luz azul se dispersa más fácilmente que la luz roja, el sol adquiere un tono rojizo cuando se ve a través de una atmósfera densa, como durante el amanecer o el atardecer . Las partículas adicionales en la atmósfera pueden dispersar diferentes colores en diferentes ángulos, creando cielos brillantes y coloridos al atardecer y al amanecer. La dispersión de cristales de hielo y otras partículas en la atmósfera es la causa de halos , resplandores posteriores , coronas , rayos de luz solar y parhelio . Las diferencias en los fenómenos de este tipo se deben a los diferentes tamaños y geometrías de las partículas [91] .

Los espejismos son fenómenos ópticos en los que los rayos de luz se desvían debido a cambios de temperatura en el índice de refracción del aire, creando imágenes desplazadas o muy distorsionadas de objetos distantes. Otros fenómenos ópticos dramáticos asociados con esto incluyen el efecto Nueva Tierra, donde el sol parece salir antes de lo previsto con una forma distorsionada. La forma espectacular debido a la refracción ocurre en una inversión de temperatura llamada Fata Morgana , cuando los objetos en el horizonte o incluso más allá del horizonte, como islas, rocas, barcos o icebergs, aparecen alargados y elevados, como "castillos de hadas" [92] .

Un arcoíris es el resultado de una combinación de reflexión interna y luz refractada dispersada en las gotas de lluvia. Un solo reflejo de la superficie posterior de muchas gotas de lluvia crea un arco iris en el cielo con un tamaño angular de 40° a 42° con rojo en el exterior. Un arcoíris doble se crea mediante dos reflejos internos que van desde 50,5° a 54° con púrpura en el exterior. Dado que un arco iris es visible cuando el sol está a 180° del centro del arco iris, el arco iris es más visible cuanto más cerca está el sol del horizonte [60] .

Véase también

Notas

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Óptica para fotovoltaica Archivado el 9 de julio de 2021 en Wayback Machine : un recorrido por la óptica clásica

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Enlaces

Sección sobre óptica en el sitio "All Physics" .

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