Óptica

Branch of physics that studies light

La óptica incluye el estudio de la dispersión de la luz.

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz , incluidas sus interacciones con la materia y la construcción de instrumentos que la utilizan o detectan . ^{[1] La} óptica generalmente describe el comportamiento de la luz 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, exhiben propiedades similares. ^[1]

La mayoría de los fenómenos ópticos pueden explicarse utilizando la descripción electromagnética clásica de la luz. Sin embargo, las descripciones electromagnéticas completas de la luz suelen ser difíciles de aplicar en la práctica. La óptica práctica se suele realizar mediante modelos simplificados. La más común de ellas, la óptica geométrica , trata la luz como una colección de rayos que viajan en línea recta y se doblan cuando atraviesan o se reflejan en las superficies. La óptica física es un modelo de luz más completo, que incluye efectos de ondas como difracción e interferencia.eso no se puede explicar en óptica geométrica. Históricamente, el modelo de luz basado en rayos se desarrolló primero, seguido por el modelo de onda de luz. Los avances en la teoría electromagnética en el siglo XIX llevaron al descubrimiento de que las ondas de luz eran en realidad radiación electromagnética.

Algunos fenómenos dependen del hecho de que la luz tiene propiedades tanto de ondas como de partículas . La explicación de estos efectos requiere mecánica cuántica . Al considerar las propiedades similares a las de las partículas de la luz, la luz se modela como una colección de partículas llamadas " fotones ". La óptica cuántica se ocupa de la aplicación de la mecánica cuántica a los sistemas ópticos.

La ciencia óptica es relevante y se estudia en muchas disciplinas relacionadas, incluida la astronomía , diversos campos de la ingeniería , la fotografía y la medicina (en particular, oftalmología y optometría ). Las aplicaciones prácticas de la óptica se encuentran en una variedad de tecnologías y objetos cotidianos, incluidos espejos , lentes , telescopios , microscopios , láseres y fibra óptica .

Historia

La lente Nimrud

La óptica comenzó con el desarrollo de lentes por los antiguos egipcios y mesopotámicos . Las lentes más antiguas conocidas, hechas de cristal pulido, a menudo de cuarzo , datan del año 2000 a. C. en Creta (Museo Arqueológico de Heraclion, Grecia). Las lentes de Rodas datan del año 700 a. C., al igual que las lentes asirias , como la lente de Nimrud . ^[2] Los antiguos romanos y griegos llenaban esferas de vidrio con agua para hacer lentes. Estos desarrollos prácticos fueron seguidos por el desarrollo de las teorías de la luz y la visión por parte de los antiguos griegos e indios.filósofos y el desarrollo de la óptica geométrica en el mundo grecorromano . La palabra óptica proviene de la antigua palabra griega ὀπτική ( optikē ), que significa "apariencia, mirada". ^[3]

La filosofía griega de la óptica se dividió en dos teorías opuestas sobre cómo funcionaba la visión, la teoría de la intromisión y la teoría de la emisión . ^[4] El enfoque de intromisión consideraba que la visión provenía de objetos que arrojaban copias de sí mismos (llamados eidola) que eran capturados por el ojo. Con muchos propagadores, incluidos Demócrito , Epicuro , Aristóteles y sus seguidores, esta teoría parece tener algún contacto con las teorías modernas de lo que realmente es la visión, pero siguió siendo solo una especulación sin ningún fundamento experimental.

Platón articuló por primera vez la teoría de la emisión, la idea de que la percepción visual se logra mediante los rayos emitidos por los ojos. También comentó sobre la inversión de la paridad de los espejos en Timeo . ^[5] Unos cien años después, Euclides (siglos IV-III a. C.) escribió un tratado titulado Óptica en el que vinculó la visión con la geometría , creando la óptica geométrica . ^[6] Basó su trabajo en la teoría de la emisión de Platón en la que describió las reglas matemáticas de la perspectiva y describió los efectos de la refracción.cualitativamente, aunque cuestionó que un rayo de luz del ojo pudiera iluminar instantáneamente las estrellas cada vez que alguien parpadeaba. ^[7] Euclides estableció el principio de la trayectoria más corta de la luz y consideró múltiples reflejos en espejos planos y esféricos. Ptolomeo , en su tratado Óptica , sostenía una teoría de la visión de extramisión-intromisión: los rayos (o flujo) del ojo formaban un cono, el vértice se encontraba dentro del ojo y la base definía el campo visual. Los rayos eran sensibles y transmitían información al intelecto del observador sobre la distancia y orientación de las superficies. Resumió gran parte de Euclides y pasó a describir una forma de medir el ángulo de refracción, aunque no advirtió la relación empírica entre éste y el ángulo de incidencia. ^[8] Plutarco (siglos I-II d.C.) describió múltiples reflexiones sobre espejos esféricos y discutió la creación de imágenes ampliadas y reducidas, tanto reales como imaginarias, incluido el caso de la quiralidad de las imágenes.

Alhazen (Ibn al-Haytham), "el padre de la óptica" ^[9]

Reproducción de una página del manuscrito de Ibn Sahl que muestra su conocimiento de la ley de refracción .

Durante la Edad Media , los escritores del mundo musulmán resucitaron y ampliaron las ideas griegas sobre la óptica . Uno de los primeros fue Al-Kindi (c. 801-873), quien escribió sobre los méritos de las ideas aristotélicas y euclidianas de la óptica, favoreciendo la teoría de la emisión, ya que podía cuantificar mejor los fenómenos ópticos. ^[10] En 984, el matemático persa Ibn Sahl escribió el tratado "Sobre la quema de espejos y lentes", describiendo correctamente una ley de refracción equivalente a la ley de Snell. ^[11] Usó esta ley para calcular formas óptimas para lentes y espejos curvos . A principios del siglo XI, Alhazen (Ibn al-Haytham) escribió elLibro de Óptica ( Kitab al-manazir ) en el que exploró la reflexión y la refracción y propuso 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 emisión" de la óptica ptolemaica con sus rayos emitidos por el ojo, y en su lugar propuso la idea de que la luz se refleja en todas direcciones en líneas rectas desde todos los puntos de los objetos que se veían y luego entraban en el ojo, aunque no pudo explicar correctamente cómo el ojo capturaba los rayos. ^[17] El trabajo de Alhazen fue ignorado en gran medida en el mundo árabe, pero fue traducido de forma anónima al latín alrededor del año 1200 d.C. y resumido y ampliado por el monje polaco.Witelo ^[18] convirtiéndolo en un texto estándar sobre óptica en Europa durante los próximos 400 años. ^[19]

En el siglo XIII en la Europa medieval, el obispo inglés Robert Grosseteste escribió sobre una amplia gama de temas científicos y discutió la luz desde cuatro perspectivas diferentes: una epistemología de la luz, una metafísica o cosmogonía de la luz, una etiología o física de la luz y una teología de la luz, ^[20] basándola en las obras Aristóteles y el platonismo. El discípulo más famoso de Grosseteste, Roger Bacon , escribió obras que citaban una amplia gama de obras ópticas y filosóficas traducidas recientemente, incluidas las de Alhazen, Aristóteles, Avicena , Averroes , Euclides, al-Kindi, Ptolomeo, Tideus yConstantino el Africano . Bacon pudo usar partes de esferas de vidrio como lupas para demostrar que la luz se refleja en los objetos en lugar de liberarse de ellos.

Los primeros anteojos portátiles se inventaron en Italia alrededor de 1286. ^[21] Este fue el comienzo de la industria óptica de pulir y pulir lentes para estos "anteojos", primero en Venecia y Florencia en el siglo XIII, ^[22] y más tarde en el centros de fabricación de espectáculos tanto en los Países Bajos como en Alemania. ^{[23] Los} fabricantes de gafas crearon tipos mejorados de lentes para la corrección de la visión basándose más en el conocimiento empírico obtenido al observar los efectos de las lentes en lugar de utilizar la teoría óptica rudimentaria de la época (teoría que en su mayor parte ni siquiera podía explicar adecuadamente cómo funcionaban las gafas). ^{[24] [25]}Este desarrollo práctico, dominio y experimentación con lentes condujo directamente a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595 y el telescopio refractor en 1608, los cuales aparecieron en los centros de fabricación de anteojos en los Países Bajos. ^{[26] [27]}

El primer tratado sobre óptica de Johannes Kepler , Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604)

A principios del siglo XVII, Johannes Kepler se expandió sobre la óptica geométrica en sus escritos, cubriendo lentes, reflexión por espejos planos y curvos, los principios de las cámaras estenopeicas , la ley del cuadrado inverso que gobierna la intensidad de la luz y las explicaciones ópticas de fenómenos astronómicos tales como eclipses lunares y solares y paralaje astronómico . También pudo deducir correctamente el papel de la retina como el órgano real que registraba las imágenes, y finalmente pudo cuantificar científicamente los efectos de los diferentes tipos de lentes que los fabricantes de gafas habían estado observando durante los últimos 300 años. ^[28]Después de la invención del telescopio, Kepler estableció la base teórica de cómo funcionaban y describió una versión mejorada, conocida como el telescopio Kepleriano , que utiliza dos lentes convexos para producir un aumento mayor. ^[29]

Portada de la primera edición de Newton's Opticks (1704)

La teoría óptica progresó a mediados del siglo XVII con tratados escritos por el filósofo René Descartes , que explicaban una variedad de fenómenos ópticos, incluida la reflexión y la refracción, asumiendo que la luz era emitida por los objetos que la producían. ^[30] Esto difería sustancialmente de la teoría de la emisión griega antigua. A finales de la década de 1660 y principios de la de 1670, Isaac Newton expandió las ideas de Descartes en una teoría de corpúsculo de la luz , determinando que la luz blanca era una mezcla de colores que se pueden separar en sus partes componentes con un prisma . En 1690, Christiaan Huygens propuso una teoría de ondasen busca de luz basada en sugerencias que había hecho Robert Hooke en 1664. El propio Hooke criticó públicamente las teorías de la luz de Newton y la disputa entre los dos duró hasta la muerte de Hooke. En 1704, Newton publicó Opticks y, en ese momento, en parte debido a su éxito en otras áreas de la física, en general se le consideraba el vencedor en el debate sobre la naturaleza de la luz. ^[30]

La óptica newtoniana fue generalmente aceptada hasta principios del siglo XIX cuando Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel realizaron experimentos sobre la interferencia de la luz que establecieron firmemente la naturaleza ondulatoria de la luz. El famoso experimento de doble rendija de Young mostró que la luz seguía el principio de superposición , que es una propiedad ondulatoria no predicha por la teoría del corpúsculo de Newton. Este trabajo condujo a una teoría de la difracción de la luz y abrió todo un área de estudio en óptica física. ^[31] La óptica de ondas fue unificada con éxito con la teoría electromagnética por James Clerk Maxwell en la década de 1860. ^[32]

El siguiente desarrollo en la teoría óptica se produjo en 1899 cuando Max Planck modeló correctamente la radiación del cuerpo negro asumiendo que el intercambio de energía entre la luz y la materia solo se producía en cantidades discretas que él llamó cuantos . ^[33] En 1905, Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico que estableció firmemente la cuantificación de la luz misma. ^{[34] [35]} En 1913, Niels Bohr demostró que los átomos solo podían emitir cantidades discretas de energía, lo que explica las líneas discretas que se ven en los espectros de emisión y absorción . ^[36]La comprensión de la interacción entre la luz y la materia que siguió a estos desarrollos 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 final, la teoría de la electrodinámica cuántica , explica todos los procesos ópticos y electromagnéticos en general como resultado del intercambio de fotones reales y virtuales . ^[37] La óptica cuántica ganó importancia práctica con las invenciones del máser en 1953 y del láser en 1960. ^[38]

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 estadísticas de la luz.

Óptica clásica

La óptica clásica se divide en dos ramas principales: óptica geométrica (o de rayos) y óptica física (u ondulatoria). En óptica geométrica, se considera que la luz viaja en línea recta, mientras que en óptica física, la luz se considera una onda electromagnética.

La óptica geométrica puede verse como una aproximación de la óptica física que se aplica cuando la longitud de onda de la luz utilizada es mucho menor que el tamaño de los elementos ópticos del sistema que se está modelando.

Óptica geométrica

Geometría de reflexión y refracción de rayos de luz.

La óptica geométrica , u óptica de rayos , describe la propagación de la luz en términos de "rayos" que viajan en línea recta y cuyas trayectorias se rigen por las leyes de reflexión y refracción en las interfaces entre diferentes medios. ^[39] Estas leyes se descubrieron empíricamente ya en 984 d ^. C. ^[11] y se han utilizado en el diseño de componentes e instrumentos ópticos 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 un rayo reflejado y uno refractado.

La ley de la reflexión dice que el rayo reflejado se encuentra en el plano de incidencia y el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.

La ley de refracción dice 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 de luz dado. 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 entre dos puntos por un rayo de luz es el camino que se puede atravesar en el menor tiempo. ^[40]

Aproximaciones

La óptica geométrica a menudo se simplifica haciendo la aproximación paraxial , o "aproximación de ángulo pequeño". El comportamiento matemático se vuelve lineal, lo que permite que los componentes y sistemas ópticos se describan mediante matrices simples. Esto conduce a las técnicas de óptica gaussiana y trazado de rayos paraxiales , que se utilizan para encontrar las propiedades básicas de los sistemas ópticos, como la imagen aproximada y las posiciones y aumentos de los objetos . ^[41]

Reflexiones

Diagrama de reflexión especular

Las reflexiones se pueden dividir en dos tipos: reflexión especular y reflexión difusa . La reflexión especular describe el brillo de superficies como los espejos, que reflejan la luz de una manera sencilla y predecible. Esto permite la producción de imágenes reflejadas que pueden asociarse con una ubicación real ( real ) o extrapolada ( virtual ) en el espacio. La reflexión difusa describe materiales no brillantes, como papel o piedra. Los reflejos de estas superficies solo se pueden describir estadísticamente, con la distribución exacta de la luz reflejada dependiendo de la estructura microscópica del material. Muchos reflectores difusos se describen o pueden aproximarse mediante la ley del coseno de Lambert, que describe superficies que tienen la misma luminancia cuando se ven desde cualquier ángulo. Las superficies brillantes pueden generar reflejos tanto especulares como difusos.

En la reflexión especular, la dirección del rayo reflejado está determinada por el ángulo que forma el rayo incidente con la normal de la superficie , una línea perpendicular a la superficie en el punto donde incide el rayo. Los rayos incidentes y reflejados y la normal se encuentran en un solo plano, y el ángulo entre el rayo reflejado y la superficie normal es el mismo que el que existe entre el rayo incidente y la normal. ^[42] Esto se conoce como la Ley de 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 del objeto. La ley también implica que las imágenes de espejo tienen paridad invertida, lo que percibimos como una inversión de izquierda a derecha. Las imágenes formadas a partir de la reflexión en dos (o cualquier número par de) espejos no tienen la paridad invertida. Los reflectores de esquina producen rayos reflejados que viajan en la dirección de donde vinieron los rayos incidentes. ^[42] Esto se llama retrorreflexión .

Los espejos con superficies curvas se pueden modelar mediante el trazado de rayos y utilizando 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 debido a la forma divergente que hace que el foco se difumine en el espacio. En particular, los espejos esféricos exhiben aberraciones esféricas . 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 reflejo en un espejo es siempre virtual, mientras que una imagen invertida es real y se puede proyectar en una pantalla. ^[42]

Refracciones

Ilustración de la ley de Snell para el caso n ₁ <n ₂ , como la interfaz aire / agua

La refracción ocurre cuando la luz viaja a través de un área del espacio que tiene un índice de refracción cambiante; este principio permite lentes y el enfoque de la luz. El caso más simple de refracción ocurre cuando existe una interfaz entre un medio uniforme con índice de refracción${\displaystyle n_{1}}$ y otro medio con índice de refracción ${\displaystyle n_{2}}$. En tales situaciones, la Ley de Snell describe la desviación resultante del rayo de luz:

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

donde ${\displaystyle \theta _{1}}$ y ${\displaystyle \theta _{2}}$son los ángulos entre la normal (a la interfaz) y las ondas incidente y refractada, respectivamente. ^[42]

El índice de refracción de un medio está relacionado con la velocidad, v , de la luz en ese medio por

${\displaystyle n=c/v}$,

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 a medida que atraviesan un medio lineal siempre que se conozcan los índices de refracción y la geometría del medio. Por ejemplo, la propagación de la luz a través de un prisma da como resultado que el rayo de luz se desvíe dependiendo de la forma y orientación del prisma. En la mayoría de los materiales, el índice de refracción varía con la frecuencia de la luz. Teniendo esto en cuenta, la Ley de Snell se puede utilizar para predecir cómo un prisma dispersará la luz en un espectro. El descubrimiento de este fenómeno al pasar la luz a través de un prisma se atribuye a Isaac Newton. ^[42]

Algunos medios tienen un índice de refracción que varía gradualmente con la posición y, por lo tanto, los rayos de luz en el medio son curvos. Este efecto es responsable de los espejismos que se observan en los días calurosos: un cambio en el índice de refracción del aire con la altura hace que los rayos de luz se doblen, creando la apariencia de reflejos especulares en la distancia (como en la superficie de un charco de agua). Los materiales ópticos con índices de refracción variables se denominan materiales de índice de gradiente (GRIN). Estos materiales se utilizan para fabricar ópticas de índice de gradiente . ^[43]

Para los rayos de luz que viajan desde un material con un alto índice de refracción a un material con un bajo índice de refracción, la ley de Snell predice que no hay ${\displaystyle \theta _{2}}$ Cuándo ${\displaystyle \theta _{1}}$es largo. En este caso, no se produce ninguna transmisión; toda la luz se refleja. Este fenómeno se denomina reflexión interna total y permite la tecnología de fibra óptica. A medida que la luz viaja por una fibra óptica, sufre una reflexión interna total, lo que permite que prácticamente no se pierda luz a lo largo del cable. ^[42]

Lentes

Un diagrama de trazado de rayos para una lente convergente.

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, mientras que una lente divergente tiene una distancia focal negativa. Una distancia focal más pequeña indica que la lente tiene un efecto convergente o divergente más fuerte. La distancia focal de una lente simple en el aire viene dada por la ecuación del fabricante de la lente . ^[44]

El trazado de rayos se puede utilizar para mostrar cómo las imágenes están formadas por una lente. Para una lente delgada en el aire, la ubicación de la imagen viene dada por la ecuación simple

${\displaystyle {\frac {1}{S_{1}}}+{\frac {1}{S_{2}}}={\frac {1}{f}}}$,

donde ${\displaystyle S_{1}}$ es la distancia del objeto a la lente, ${\displaystyle S_{2}}$ es la distancia desde la lente a la imagen, y ${\displaystyle f}$es la distancia focal del objetivo. En la convención de signos utilizada aquí, las distancias entre el objeto y la imagen son positivas si el objeto y la imagen están en lados opuestos de la lente. ^[44]

Los rayos paralelos entrantes son enfocados por una lente convergente en un punto a una distancia focal de la lente, en el lado más alejado de la lente. A esto se le 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 esté el objeto de la lente, más lejos estará la imagen de la lente.

Con lentes divergentes, los rayos paralelos entrantes divergen después de atravesar la lente, de tal manera que parecen haberse originado en un punto a una distancia focal por delante de la lente. Este es el punto focal frontal de la lente. Los rayos de un objeto a una distancia finita están asociados con una imagen virtual que está más cerca de la lente que el punto focal 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 de la lente. Al igual que con los espejos, las imágenes verticales producidas por una sola lente son virtuales, mientras que las imágenes invertidas son reales. ^[42]

Las lentes sufren aberraciones que distorsionan las imágenes. Las aberraciones monocromáticas ocurren porque la geometría de la lente no dirige perfectamente los rayos de cada punto del objeto a un solo punto en la imagen, mientras que la aberración cromática ocurre porque el índice de refracción de la lente varía con la longitud de onda de la luz. ^[42]

Las imágenes de letras negras en una lente convexa delgada de distancia focal f   se muestran en rojo. Los rayos seleccionados se muestran para las letras E , I y K en azul, verde y naranja, respectivamente. Tenga en cuenta que E (en 2 f ) tiene una imagen real e invertida de igual tamaño; I (en f ) tiene su imagen en el infinito; y K ( af / 2) tiene una imagen vertical, virtual y de doble tamaño.

Óptica física

En óptica física, se considera que la luz se propaga como una onda. Este modelo predice fenómenos como la interferencia y la difracción, que no se explican por la 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 las ondas de luz visible varía entre 400 y 700 nm, pero el término "luz" también se aplica a menudo a la radiación infrarroja (0,7 a 300 μm) y ultravioleta (10 a 400 nm).

El modelo de onda se puede utilizar para hacer predicciones sobre cómo se comportará un sistema óptico sin requerir una explicación de qué está "ondeando" en qué medio. Hasta mediados del siglo XIX, la mayoría de los físicos creían en un medio "etéreo" en el que se propagaba la perturbación de la luz. ^[45] 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 campos eléctricos y magnéticos variables que son ortogonales entre sí y también a la dirección de propagación de las ondas. ^[46] Las ondas de luz ahora se tratan generalmente como ondas electromagnéticas, excepto cuando se deben considerar los efectos de la mecánica cuántica .

Modelado y diseño de sistemas ópticos utilizando óptica física

Se encuentran disponibles muchas aproximaciones simplificadas para analizar y diseñar sistemas ópticos. La mayoría de estos utilizan una única cantidad escalar para representar el campo eléctrico de la onda de luz, en lugar de utilizar un modelo vectorial con vectores eléctricos y magnéticos ortogonales. ^[47] La ecuación de Huygens-Fresnel es uno de esos modelos. Esto fue derivado empíricamente por Fresnel en 1815, basado en la hipótesis de Huygens de que cada punto en un 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 la ecuación de Huygens-Fresnel en una base física más firme. Se pueden encontrar ejemplos de la aplicación del principio de Huygens-Fresnel en los artículos sobre difracción y difracción de Fraunhofer .

Se requieren modelos más rigurosos, que implican el modelado de campos eléctricos y magnéticos de la onda de luz, cuando se trata de materiales cuyas propiedades eléctricas y magnéticas afectan la interacción de la luz con el material. Por ejemplo, el comportamiento de una onda de luz que interactúa con una superficie metálica es bastante diferente de lo que sucede cuando interactúa con un material dieléctrico. También se debe utilizar un modelo vectorial para modelar la luz polarizada.

Las técnicas de modelado numérico , como el método de elementos finitos , el método de elementos de contorno y el método de matriz de línea de transmisión, pueden utilizarse para modelar la propagación de la luz en sistemas que no pueden resolverse analíticamente. Dichos modelos son computacionalmente exigentes y normalmente solo se usan para resolver problemas a pequeña escala que requieren una precisión más allá de la que se puede lograr con soluciones analíticas. ^[48]

Todos los resultados de la óptica geométrica pueden recuperarse utilizando las técnicas de la óptica de Fourier, que aplican muchas de las mismas técnicas matemáticas y analíticas utilizadas en la ingeniería acústica y el procesamiento de señales .

La propagación del rayo gaussiano es un modelo de óptica física paraxial simple para la propagación de radiación coherente, como los rayos láser. Esta técnica tiene en cuenta parcialmente la difracción, lo que permite cálculos precisos de la velocidad a la que un rayo láser se expande con la distancia y el tamaño mínimo al que se puede enfocar el rayo. La propagación del haz gaussiano cierra así la brecha entre la óptica geométrica y física. ^[49]

Superposición e interferencia

En ausencia de efectos no lineales , el principio de superposición se puede utilizar para predecir la forma de las formas de onda que interactúan mediante la simple adición de las perturbaciones. ^[50] Esta interacción de ondas para producir un patrón resultante generalmente se denomina "interferencia" y puede dar lugar a una variedad de resultados. Si dos ondas de la misma longitud de onda y frecuencia están en fase , tanto las crestas de las ondas como los valles de las ondas se alinean. Esto da como resultado una interferencia constructivay un aumento en la amplitud de la onda, que para la luz está asociada con un brillo de la forma de onda en esa ubicación. Alternativamente, si las dos ondas de la misma longitud de onda y frecuencia están desfasadas, las crestas de las ondas se alinearán con los valles de las ondas y viceversa. Esto da como resultado una interferencia destructiva y una disminución en la amplitud de la onda, que para la luz está asociada con una atenuación de la forma de onda en esa ubicación. Vea a continuación una ilustración de este efecto. ^[50]

forma de onda combinada
ola 1
ola 2
	Dos ondas en fase	Dos ondas 180 ° desfasadas

Cuando se derrama aceite o combustible, se forman patrones de colores por la interferencia de una película delgada.

Dado que el principio de Huygens-Fresnel establece que cada punto de un frente de onda está asociado con la producción de una nueva perturbación, es posible que un frente de onda interfiera consigo mismo de manera constructiva o destructiva en diferentes ubicaciones produciendo franjas brillantes y oscuras en patrones regulares y predecibles. ^{[50] La} interferometría es la ciencia de medir estos patrones, generalmente como un medio para hacer determinaciones precisas de distancias o resoluciones angulares . ^[51] El interferómetro de Michelson era un instrumento famoso que utilizaba efectos de interferencia para medir con precisión la velocidad de la luz. ^[52]

La apariencia de películas y recubrimientos delgados se ve afectada directamente por los efectos de interferencia. Recubrimientos antirreflectantesutilizan interferencias destructivas para reducir la reflectividad de las superficies que recubren y pueden utilizarse para minimizar el deslumbramiento y los reflejos no deseados. El caso más simple es una sola capa con un espesor de un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente. La onda reflejada desde la parte superior de la película y la onda reflejada desde la interfaz película / material están entonces exactamente 180 ° fuera de fase, lo que provoca una interferencia destructiva. Las ondas solo están exactamente fuera de fase para una longitud de onda, que normalmente se elegiría para estar cerca del centro del espectro visible, alrededor de 550 nm. Los diseños más complejos que utilizan varias capas pueden lograr una reflectividad baja en una banda ancha o una reflectividad extremadamente baja en una sola longitud de onda.

La interferencia constructiva en películas delgadas puede crear un fuerte reflejo de la luz en un rango de longitudes de onda, que puede ser estrecho o amplio según el diseño del recubrimiento. Estas películas se utilizan para fabricar espejos dieléctricos , filtros de interferencia , reflectores de calor y filtros para la separación de colores en cámaras de televisión en color . Este efecto de interferencia es también lo que causa los patrones de arco iris de colores que se ven en las manchas de petróleo. ^[50]

Difracción y resolución óptica

Difracción en dos rendijas separadas por distancia ${\displaystyle d}$. Las franjas brillantes ocurren a lo largo de líneas donde las líneas negras se cruzan con las líneas negras y las líneas blancas se cruzan con las líneas blancas. Estas franjas están separadas por ángulo${\displaystyle \theta }$ y están numerados como orden ${\displaystyle n}$.

La difracción es el proceso mediante el cual se observa con mayor 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 diffringere , "romperse en pedazos". ^{[53] [54]} Más tarde en ese siglo, Robert Hooke e Isaac Newton también describieron fenómenos ahora conocidos como difracción en los anillos de Newton ^[55] mientras que James Gregory registró sus observaciones de patrones de difracción de plumas de aves. ^[56]

El primer modelo de difracción de óptica física que se basó 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 poco espaciadas. Young demostró que sus resultados solo podrían explicarse si las dos rendijas actuaran como dos fuentes únicas de ondas en lugar de corpúsculos. ^[57] En 1815 y 1818, Augustin-Jean Fresnel estableció firmemente las matemáticas de cómo la interferencia de ondas puede explicar la difracción. ^[44]

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

${\displaystyle m\lambda =d\sin \theta }$

donde ${\displaystyle d}$es la separación entre dos fuentes de frente de onda (en el caso de los experimentos de Young, eran dos rendijas ),${\displaystyle \theta }$ es la separación angular entre la franja central y la ${\displaystyle m}$Franja de orden de th, donde el máximo central es ${\displaystyle m=0}$. ^[58]

Esta ecuación se modifica ligeramente para tener en cuenta una variedad de situaciones, como la difracción a través de un solo espacio, la difracción a través de múltiples rendijas o la difracción a través de una rejilla de difracción que contiene una gran cantidad de rendijas a la misma separación. ^[58] Los modelos de difracción más complicados requieren trabajar con las matemáticas de la difracción de Fresnel o Fraunhofer. ^[59]

La difracción de rayos X aprovecha el hecho de que los átomos de un cristal tienen un espaciado regular a distancias del orden de un angstrom . Para ver los patrones de difracción, se pasan rayos X con longitudes de onda similares a ese espaciado a través del cristal. Dado que los cristales son objetos tridimensionales en lugar de rejillas bidimensionales, el patrón de difracción asociado varía en dos direcciones de acuerdo con la reflexión de Bragg , con los puntos brillantes asociados que ocurren en patrones únicos y${\displaystyle d}$siendo el doble del espaciado entre átomos. ^[58]

Los efectos de difracción limitan la capacidad de un detector óptico para resolver ópticamente fuentes de luz separadas. En general, la luz que pasa a través de una apertura experimentará difracción y las mejores imágenes que se pueden crear (como se describe en la óptica de difracción limitada ) aparecen como un punto central con anillos brillantes circundantes, separados por nulos oscuros; este patrón se conoce como patrón Airy y el lóbulo central brillante como disco Airy . ^[44] El tamaño de dicho disco viene dado por

${\displaystyle \sin \theta =1.22{\frac {\lambda }{D}}}$

donde θ es la resolución angular, λ es la longitud de onda de la luz y D es el diámetro de la apertura de la lente. Si la separación angular de los dos puntos es significativamente menor que el radio angular del disco de Airy, entonces los dos puntos no se pueden resolver en la imagen, pero si su separación angular es mucho mayor que esto, se forman imágenes distintas de los dos puntos y se por tanto, puede resolverse. Rayleigh definió el " criterio de Rayleigh algo arbitrario"que dos puntos cuya separación angular es igual al radio del disco de Airy (medido al primer nulo, es decir, al primer lugar donde no se ve luz) pueden considerarse resueltos. Se puede ver que cuanto mayor es el diámetro de la lente o su apertura, más fina es la resolución. ^{[58] La} interferometría , con su capacidad de imitar aperturas de línea de base extremadamente grandes, permite la mayor resolución angular posible. ^[51]

Para las imágenes astronómicas, la atmósfera evita que se logre una resolución óptima en el espectro visible debido a la dispersión y dispersión atmosférica que hacen que las estrellas titilen . Los astrónomos se refieren a este efecto como la calidad de la visión astronómica . Se han utilizado técnicas conocidas como óptica adaptativa para eliminar la alteración atmosférica de las imágenes y lograr resultados que se acercan al límite de difracción. ^[60]

Dispersión y dispersión

Animación conceptual de la dispersión de la luz a través de un prisma. La luz de alta frecuencia (azul) es la más desviada y la de baja frecuencia (roja) la menos.

Los procesos refractivos tienen lugar en el límite de la óptica física, 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 se produce cuando las ondas electromagnéticas son desviadas por partículas individuales. En el límite de la dispersión de Thomson, en la que la naturaleza ondulatoria 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 la luz como partículas. En un sentido estadístico, la dispersión elástica de la luz por numerosas partículas mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz es un proceso conocido como dispersión de Rayleigh.mientras que el proceso similar de dispersión por partículas que son similares o mayores en longitud de onda se conoce como dispersión de Mie, siendo el efecto Tyndall un resultado comúnmente observado. Una pequeña proporción de la dispersión de luz de los átomos o moléculas puede sufrir dispersión Raman , en la que la frecuencia cambia debido a la excitación de los átomos y moléculas. La dispersión de Brillouin ocurre cuando la frecuencia de la luz cambia debido a cambios locales con el tiempo y los movimientos de un material denso. ^[61]

La dispersión ocurre cuando diferentes frecuencias de luz tienen diferentes velocidades de fase , debido a las propiedades del material ( dispersión del material ) o a la geometría de una guía de ondas óptica ( dispersión de la guía de ondas ). La forma más familiar de dispersión es una disminución en el índice de refracción al aumentar la longitud de onda, que se observa en la mayoría de los materiales transparentes. A esto se le llama "dispersión normal". Ocurre en todos los materiales dieléctricos , en rangos de longitud de onda donde el material no absorbe la luz. ^[62] En rangos de longitud de onda donde un medio tiene una absorción significativa, el índice de refracción puede aumentar con la longitud de onda. A esto se le llama "dispersión anómala". ^{[42] [62]}

La separación de colores mediante un prisma es un ejemplo de dispersión normal. En las superficies del prisma, la ley de Snell predice que la luz incidente en un ángulo θ con respecto a la normal se refractará en un ángulo arcsin (sen (θ) / n ). Por lo tanto, la luz azul, con su índice de refracción más alto, se dobla con más fuerza que la luz roja, lo que da como resultado el conocido patrón de arco iris . ^[42]

Dispersión: dos sinusoides que se propagan a diferentes velocidades forman un patrón de interferencia en movimiento. El punto rojo se mueve con la velocidad de fase y los puntos verdes se propagan con la velocidad del grupo . En este caso, la velocidad de fase es el doble de la velocidad del grupo. El punto rojo supera a dos puntos verdes, cuando se mueve de izquierda a derecha de la figura. En efecto, las ondas individuales (que viajan con la velocidad de fase) escapan del paquete de ondas (que viaja con la velocidad del grupo).

La dispersión del material se caracteriza a menudo por el número de Abbe , que proporciona una medida simple de dispersión basada en el índice de refracción en tres longitudes de onda específicas. La dispersión de la guía de ondas depende de la constante de propagación . ^[44] Ambos tipos de dispersión provocan cambios en las características de grupo de la onda, las características del paquete de ondas que cambian con la misma frecuencia que la amplitud de la onda electromagnética. La "dispersión de la velocidad de grupo" se manifiesta como una dispersión de la "envolvente" de la señal de la radiación y se puede cuantificar con un parámetro de retardo de dispersión de grupo:

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

donde ${\displaystyle v_{g}}$es la velocidad del grupo. ^[63] Para un medio uniforme, la velocidad del grupo es

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

donde n es el índice de refracción yc es la velocidad de la luz en el vacío. ^[64] Esto da una forma más simple para el parámetro de retardo de dispersión:

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

Si D es menor que cero, se dice que el medio tiene una dispersión positiva o una dispersión normal. Si D es mayor que cero, el medio tiene dispersión negativa . Si un pulso de luz se propaga a través de un medio normalmente dispersivo, el resultado es que los componentes de frecuencia más alta se ralentizan más que los componentes de frecuencia más baja. Por tanto, el pulso se vuelve positivamente gorjeó , o up-chirp, aumentando en frecuencia con el tiempo. Esto hace que el espectro que sale de un prisma aparezca con la luz roja la menos refractada y la luz azul / violeta la más refractada. Por el contrario, si un pulso viaja a través de un medio de dispersión anómala (negativamente), los componentes de alta frecuencia viajan más rápido que los inferiores, y el pulso se vuelve chirrido negativamente o chirrido hacia abajo , disminuyendo en frecuencia con el tiempo. ^{[sesenta y cinco]}

El resultado de la dispersión de la velocidad del grupo, ya sea negativa o positiva, es en última instancia la propagación temporal del pulso. Esto hace que la gestión de la dispersión sea extremadamente importante en los sistemas de comunicaciones ópticas basados ​​en fibras ópticas , ya que si la dispersión es demasiado alta, un grupo de pulsos que representan información se esparcirá en el tiempo y se fusionará, haciendo imposible extraer la señal. ^[63]

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 el plano perpendicular a la dirección de viaje de la onda. Las oscilaciones pueden estar orientadas en una sola dirección ( polarización lineal ), o la dirección de oscilación puede girar a medida que viaja la onda ( polarización circular o elíptica ). Las ondas polarizadas circularmente pueden girar hacia la derecha o hacia la izquierda en la dirección del viaje, y cuál de esas dos rotaciones está presente en una onda se llama quiralidad de la onda . ^[66]

La forma típica de considerar la polarización es realizar un seguimiento de la orientación del vector de campo eléctrico a medida que se propaga la onda electromagnética. El vector de campo eléctrico de una onda plana puede dividirse arbitrariamente en dos perpendiculares componentes etiquetados x y Y (con z que indican la dirección de desplazamiento). La forma trazada en el plano xy por el vector de campo eléctrico es una figura de Lissajous que describe el estado de polarización . ^[44] Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos de la evolución del vector de campo eléctrico (azul), con el tiempo (los ejes verticales), en un punto particular del espacio, junto con su xy Y componentes (rojo / izquierda y verde / derecha), y el camino trazado por el vector en el plano (púrpura): La misma evolución se produciría cuando se mira en el campo eléctrico en un momento determinado mientras que la evolución del punto en el espacio, a lo largo de la dirección opuesta a la propagación.

Lineal

Circular

Polarización elíptica

En la figura de arriba a la izquierda, los componentes xey de la onda de luz están en fase. En este caso, la relación de sus fuerzas 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 traza una sola línea en el plano, este caso especial se llama polarización lineal. La dirección de esta línea depende de las amplitudes relativas de los dos componentes. ^[66]

En la figura del medio, los dos componentes ortogonales tienen las mismas amplitudes y están desfasados ​​90 °. En este caso, un componente es cero cuando el otro componente está en amplitud máxima o mínima. Hay dos posibles relaciones de fase que satisfacen este requisito: el componente x puede estar 90 ° por delante del componente y o puede estar 90 ° por detrás del componente y . En este caso especial, el vector eléctrico traza un círculo en el plano, por lo que esta polarización se llama polarización circular. El sentido de rotación en el círculo depende de cuál de las relaciones de dos fases existe y corresponde a la mano derecha de polarización circular y de la mano izquierda de polarización circular . ^[44]

En todos los demás casos, donde los dos componentes no tienen las mismas amplitudes y / o su diferencia de fase no es cero ni un múltiplo de 90 °, la polarización se llama polarización elíptica porque el vector eléctrico traza una elipse en el plano ( la elipse de polarización ). Esto se muestra en la figura anterior a la derecha. Las matemáticas detalladas de la polarización se realizan mediante el cálculo de Jones y se caracterizan por los parámetros de Stokes . ^[44]

Cambio de polarización

Los medios que tienen diferentes índices de refracción para diferentes modos de polarización se denominan birrefringentes . ^[66] Aparecen manifestaciones bien conocidas de este efecto en las placas / retardadores de ondas ópticas (modos lineales) y en la rotación / rotación óptica de Faraday (modos circulares). ^[44] Si la longitud de la trayectoria en el medio birrefringente es suficiente, las ondas planas saldrán del material con una dirección de propagación significativamente diferente, debido a la refracción. Por ejemplo, este es el caso de los cristales macroscópicos de calcita., que presentan al espectador dos imágenes polarizadas ortogonalmente desplazadas de todo lo que se ve a través de ellas. Fue este efecto el que proporcionó el primer descubrimiento de la polarización, por Erasmo Bartholinus en 1669. Además, el cambio de fase, y por lo tanto el cambio en el estado de polarización, suele depender de la frecuencia, lo que, en combinación con el dicroísmo , a menudo da lugar a efectos brillantes. colores y efectos de arcoíris. En mineralogía , estas propiedades, conocidas como pleocroísmo , se explotan con frecuencia con el fin de identificar minerales utilizando microscopios de polarización. Además, muchos plásticos que normalmente no son birrefringentes lo serán cuando estén sujetos a estrés mecánico , un fenómeno que es la base defotoelasticidad . ^[66] Los métodos no birrefringentes, para rotar la polarización lineal de los haces de luz, incluyen el uso de rotadores de polarización prismática que utilizan la reflexión interna total en un conjunto de prismas diseñado para una transmisión colineal eficiente. ^[67]

Un polarizador que cambia la orientación de la luz polarizada linealmente.
En esta imagen, θ ₁ - θ ₀ = θ _i .

Los medios que reducen la amplitud de ciertos modos de polarización se denominan dicroicos , con dispositivos que bloquean casi toda la radiación en un modo conocido como filtros polarizadores o simplemente " polarizadores ". La ley de Malus, que lleva el nombre de Étienne-Louis Malus , dice que cuando se coloca un polarizador perfecto en un rayo de luz polarizado lineal, la intensidad, I , de la luz que atraviesa viene dada por

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

donde

I ₀ es la intensidad inicial,

y θ _i es el ángulo entre la dirección de polarización inicial de la luz y el eje del polarizador. ^[66]

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 valor medio de${\displaystyle \cos ^{2}\theta }$ es 1/2, el coeficiente de transmisión se convierte en

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

En la práctica, se pierde algo de luz en el polarizador y la transmisión real de la luz no polarizada será algo más baja que esto, alrededor del 38% para los polarizadores tipo Polaroid, pero considerablemente más alta (> 49,9%) para algunos tipos de prismas birrefringentes. ^[44]

Además de la birrefringencia y el dicroísmo en medios extendidos, los efectos de polarización también pueden ocurrir en la interfaz (reflectante) entre dos materiales de diferente índice de refracción. Estos efectos son tratados por las ecuaciones de Fresnel . Parte de la onda se transmite y parte se refleja, y la relación depende del ángulo de incidencia y del ángulo de refracción. De esta forma, la óptica física recupera el ángulo de Brewster . ^[44] Cuando la luz se refleja de una película delgada en una superficie, la interferencia entre los reflejos de las superficies de la película puede producir polarización en la luz reflejada y transmitida.

Luz natural

Los efectos de un filtro polarizador en el cielo en una fotografía. La fotografía de la izquierda se toma sin polarizador. Para la imagen de la derecha, se ajustó el filtro para eliminar ciertas polarizaciones de la luz azul dispersa del cielo.

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, 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 describir la luz en términos del grado de polarización y los parámetros de la elipse de polarización. ^[44]

La luz reflejada por materiales transparentes brillantes está parcial o totalmente polarizada, excepto cuando la luz es normal (perpendicular) a la superficie. Fue este efecto el que permitió al matemático Étienne-Louis Malus realizar las mediciones que le permitieron desarrollar los primeros modelos matemáticos para la luz polarizada. La polarización ocurre cuando la luz se dispersa en la atmósfera . La luz dispersa produce el brillo y el color en cielos despejados . Esta polarización parcial de la luz dispersa se puede aprovechar utilizando filtros polarizadores para oscurecer el cielo en las fotografías . La polarización óptica es principalmente de importancia en química debido al dicroísmo circular y la rotación óptica ("birrefringencia circular ") exhibida por moléculas ópticamente activas ( quirales ) . ^[44]

Óptica moderna

La óptica moderna abarca las áreas de la ciencia y la ingeniería ópticas que se hicieron populares en el siglo XX. Estas áreas de la ciencia óptica normalmente se relacionan con las propiedades electromagnéticas o cuánticas de la luz, pero incluyen otros temas. Un subcampo importante de la óptica moderna, la óptica cuántica , se ocupa específicamente de las propiedades mecánicas cuánticas de la luz. La óptica cuántica no es solo teórica; algunos dispositivos modernos, como los láseres, tienen principios de funcionamiento que dependen de la mecánica cuántica. Los detectores de luz, como los fotomultiplicadores y los channeltrones , responden a fotones individuales. Los sensores de imagen electrónicos , como los CCD , presentan ruido de disparocorrespondiente a las estadísticas de eventos de fotones individuales. Los diodos emisores de luz y las células fotovoltaicas tampoco pueden entenderse sin la mecánica cuántica. En el estudio de estos dispositivos, la óptica cuántica a menudo se superpone con la electrónica cuántica . ^[68]

Las áreas de especialidad de la investigación de la óptica incluyen el estudio de cómo la luz interactúa con materiales específicos como en la óptica de cristal y los metamateriales . Otras investigaciones se centran en la fenomenología de las ondas electromagnéticas como en óptica singular , óptica sin imágenes , óptica no lineal , óptica estadística y radiometría . Además, los ingenieros informáticos se han interesado en la óptica integrada , la visión artificial y la computación fotónica como posibles componentes de la "próxima generación" de computadoras. ^[69]

Hoy en día, la ciencia pura de la óptica se llama ciencia óptica o física óptica para distinguirla de las ciencias ópticas aplicadas, que se conocen como ingeniería óptica . Los subcampos destacados de la ingeniería óptica incluyen ingeniería de iluminación , fotónica y optoelectrónica con aplicaciones prácticas como diseño de lentes , fabricación y prueba de componentes ópticos y procesamiento de imágenes.. Algunos de estos campos se superponen, con límites nebulosos entre los términos de los sujetos que significan cosas ligeramente diferentes en diferentes partes del mundo y en diferentes áreas de la industria. Una comunidad profesional de investigadores en óptica no lineal se ha desarrollado en las últimas décadas debido a los avances en la tecnología láser. ^[70]

Láseres

Experimentos como este con láseres de alta potencia forman parte de la investigación moderna en óptica.

Un láser es un dispositivo que emite luz, una especie de radiación electromagnética, a través de un proceso llamado emisión estimulada . El término láser es un acrónimo de Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación . ^[71] 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 uno con la ayuda de componentes ópticos como lentes. Debido a que el equivalente en microondas del láser, el máser , se desarrolló primero, los dispositivos que emiten microondas y frecuencias de radio suelen denominarse másers .^[72]

Estrella guía láser del VLT ^[73]

El primer láser en funcionamiento fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en Hughes Research Laboratories . ^[74] Cuando se inventaron por primera vez, se les llamó "una solución en busca de un problema". ^[75] Desde entonces, los láseres se han convertido en una industria multimillonaria, encontrando utilidad en miles de aplicaciones muy variadas. La primera aplicación de láseres visible en la vida cotidiana de la población en general fue el lector de códigos de barras de los supermercados , introducido en 1974. ^[76] El reproductor de discos láser , introducido en 1978, fue el primer producto de consumo exitoso que incluyó un láser, pero el disco compactoEl reproductor fue el primer dispositivo equipado con láser que se volvió realmente común en los hogares de los consumidores, a partir de 1982. ^[77] Estos dispositivos de almacenamiento óptico utilizan un láser semiconductor de menos de un milímetro de ancho para escanear la superficie del disco para recuperar datos. La comunicación por fibra óptica se basa en láseres para transmitir grandes cantidades de información a la velocidad de la luz. Otras aplicaciones 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 y la microdisección por captura con láser y en aplicaciones militares comosistemas de defensa antimisiles , contramedidas electroópticas (EOCM) y lidar . Los láseres también se utilizan en hologramas , bubblegrams , espectáculos de luz láser y depilación láser . ^[78]

Efecto Kapitsa-Dirac

El efecto Kapitsa-Dirac hace que los haces de partículas se difracten como resultado de encontrarse con una onda de luz estacionaria. La luz se puede utilizar para posicionar la materia mediante varios fenómenos (ver pinzas ópticas ).

Aplicaciones

La óptica forma parte de la vida cotidiana. La ubicuidad de los sistemas visuales en biología indica el papel central que juega la óptica como ciencia de uno de los cinco sentidos . Muchas personas se benefician de los anteojos o lentes de contacto , y la óptica es parte integral del funcionamiento de muchos bienes de consumo, incluidas las cámaras . Los arco iris y los espejismos son ejemplos de fenómenos ópticos. La comunicación óptica proporciona la columna vertebral tanto para Internet como para la telefonía moderna .

Ojo humano

Modelo de ojo humano. Las características mencionadas en este artículo son 1. humor vítreo 3. músculo ciliar , 6. pupila , 7. cámara anterior , 8. córnea , 10. corteza del cristalino , 22. nervio óptico , 26. fóvea , 30. retina

El ojo humano funciona al enfocar la luz en una capa de células fotorreceptoras llamada retina, que forma el revestimiento interno de la parte posterior del ojo. El enfoque se logra mediante una serie de medios transparentes. La luz que entra al ojo pasa primero a través de la córnea, que proporciona gran parte del poder óptico del ojo. Luego, la luz continúa a través del líquido justo detrás de la córnea, la cámara anterior , y luego pasa a través de la pupila . Luego, la luz pasa a través de la lente , que enfoca más la luz y permite ajustar el enfoque. Luego, la luz pasa a través del cuerpo principal de líquido en el ojo, el humor vítreo.y llega a la retina. Las células de la retina recubren la parte posterior del ojo, excepto por donde sale el nervio óptico; esto resulta en un punto ciego .

Hay dos tipos de células fotorreceptoras, bastones y conos, que son sensibles a diferentes aspectos de la luz. ^{[79] Las} células bastón son sensibles a la intensidad de la luz en un amplio rango de frecuencias, por lo que son responsables de la visión en blanco y negro . Las células bastón no están presentes en la fóvea, el área de la retina responsable de la visión central, y no responden tanto como las células cónicas a los cambios espaciales y temporales de la luz. Sin embargo, hay veinte veces más células de barra que células de cono en la retina porque las células de barra están presentes en un área más amplia. Debido a su distribución más amplia, los bastones son responsables de la visión periférica . ^[80]

Por el contrario, las células cónicas son menos sensibles a la intensidad general de la luz, pero vienen en tres variedades que son sensibles a diferentes rangos de frecuencia y, por lo tanto, se utilizan en la percepción del color y la visión fotópica . Las células cónicas están muy concentradas en la fóvea y tienen una gran agudeza visual, lo que significa que tienen una mejor resolución espacial que las células bastón. Dado que las células cónicas no son tan sensibles a la luz tenue como las células bastón, la mayor parte de la visión nocturna se limita a las células bastón. Del mismo modo, dado que las células cónicas se encuentran en la fóvea, la visión central (incluida la visión necesaria para realizar la mayor parte de la lectura, el trabajo de detalles finos como coser o un examen cuidadoso de los objetos) se realiza mediante células cónicas. ^[80]

Los músculos ciliares alrededor del cristalino permiten ajustar el enfoque del ojo. Este proceso se conoce como acomodación . El punto cercano y el punto lejano definen las distancias más cercanas y más lejanas del ojo en las que un objeto puede enfocarse nítidamente. Para una persona con visión normal, el punto lejano se encuentra en el infinito. La ubicación del punto cercano depende de cuánto pueden aumentar los músculos la curvatura del cristalino y de qué tan inflexible se ha vuelto el cristalino con la edad. Los optometristas , oftalmólogos y ópticos suelen considerar que un punto cercano apropiado está más cerca de la distancia de lectura normal, aproximadamente 25 cm. ^[79]

Los defectos en la visión se pueden explicar utilizando principios ópticos. A medida que las personas envejecen, el cristalino se vuelve menos flexible y el punto cercano se aleja del ojo, una condición conocida como presbicia . De manera similar, las personas que padecen hipermetropía no pueden disminuir la distancia focal de su lente lo suficiente como para permitir que los objetos cercanos se vean en su retina. Por el contrario, las personas que no pueden aumentar la distancia focal de su lente lo suficiente como para permitir que los objetos distantes se vean en la retina sufren de miopía y tienen un punto lejano que está considerablemente más cerca que el infinito. Una condición conocida como astigmatismo.resulta cuando la córnea no es esférica, sino más curvada en una dirección. Esto hace que los objetos extendidos horizontalmente se enfoquen en diferentes partes de la retina que los objetos extendidos verticalmente, y da como resultado imágenes distorsionadas. ^[79]

Todas estas condiciones se pueden corregir con lentes correctivos . Para la presbicia y la hipermetropía, una lente convergente proporciona la curvatura adicional necesaria para acercar el punto cercano al ojo, mientras que para la miopía una lente divergente proporciona la curvatura necesaria para enviar el punto lejano al infinito. El astigmatismo se corrige con una lente de superficie cilíndrica que se curva con más fuerza en una dirección que en otra, compensando la falta de uniformidad de la córnea. ^[81]

La potencia óptica de las lentes correctoras se mide en dioptrías , un valor igual al 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 lentes que también corrigen el astigmatismo, se dan tres números: uno para la potencia esférica, uno para la potencia cilíndrica y otro para el ángulo de orientación del astigmatismo. ^[81]

Efectos visuales

La ilusión de Ponzo se basa en el hecho de que las líneas paralelas parecen converger a medida que se acercan al infinito.

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 para dar una percepción que difiere del objeto que se está imaginando. Las ilusiones ópticas pueden ser el resultado de una variedad de fenómenos, incluidos los efectos físicos que crean imágenes que son diferentes de los objetos que las crean, los efectos fisiológicos en los ojos y el cerebro de una estimulación excesiva (por ejemplo, brillo, inclinación, color, movimiento) y ilusiones cognitivas donde el ojo y el cerebro hacen inferencias inconscientes . ^[82]

Las ilusiones cognitivas incluyen algunas que resultan de la mala aplicación inconsciente de ciertos principios ópticos. Por ejemplo, las ilusiones de la habitación Ames , Hering , Müller-Lyer , Orbison , Ponzo , Sander y Wundt se basan en la sugerencia de la apariencia de distancia mediante el uso de líneas convergentes y divergentes, de la misma manera que los rayos de luz paralelos (o de hecho cualquier conjunto de líneas paralelas) parecen converger en un punto de fuga en el infinito en imágenes renderizadas bidimensionales con perspectiva artística. ^[83] Esta sugerencia también es responsable de la famosa ilusión de la luna.donde la luna, a pesar de tener esencialmente el mismo tamaño angular, parece mucho más grande cerca del horizonte que en el cenit . ^[84] Esta ilusión confundió tanto a Ptolomeo que la atribuyó incorrectamente a la refracción atmosférica cuando la describió en su tratado Óptica . ^[8]

Otro tipo de ilusión óptica explota patrones rotos para engañar a la mente para que perciba simetrías o asimetrías que no están presentes. Los ejemplos incluyen la pared del café , las ilusiones de Ehrenstein , la espiral de Fraser , Poggendorff y Zöllner . Relacionados, pero no estrictamente ilusorios, están los patrones que ocurren debido a la superposición de estructuras periódicas. Por ejemplo, los tejidos transparentes con una estructura de cuadrícula producen formas conocidas como patrones muaré , mientras que la superposición de patrones transparentes periódicos que comprenden líneas o curvas opacas paralelas produce patrones muaré de líneas . ^[85]

Instrumentos ópticos

Ilustraciones de varios instrumentos ópticos de la Cyclopaedia de 1728

Los lentes individuales tienen una variedad de aplicaciones que incluyen lentes fotográficos , lentes correctivos y lupas, mientras que los espejos individuales se utilizan en reflectores parabólicos y espejos retrovisores . La combinación de varios espejos, prismas y lentes produce instrumentos ópticos compuestos que tienen usos prácticos. Por ejemplo, un periscopio es simplemente dos espejos planos alineados para permitir la visualización alrededor de las obstrucciones. Los instrumentos ópticos compuestos más famosos de la ciencia son el microscopio y el telescopio, ambos inventados por los holandeses a finales del siglo XVI. ^[86]

Los microscopios se desarrollaron por primera vez con solo dos lentes: una lente de objetivo y un ocular . La lente del objetivo es esencialmente una lupa y se diseñó con una distancia focal muy pequeña, mientras que el ocular generalmente tiene una distancia focal más larga. Esto tiene el efecto de producir imágenes ampliadas de objetos cercanos. Generalmente, se utiliza una fuente adicional de iluminación, ya que las imágenes ampliadas son más tenues debido a la conservación de la energía y la dispersión de los rayos de luz sobre una superficie mayor. Los microscopios modernos, conocidos como microscopios compuestos, tienen muchas lentes (normalmente cuatro) para optimizar la funcionalidad y mejorar la estabilidad de la imagen. ^[86] Una variedad de microscopio ligeramente diferente, elmicroscopio de comparación , observa imágenes una al lado de la otra para producir una vista binocular estereoscópica que parece tridimensional cuando es utilizada por humanos. ^[87]

Los primeros telescopios, llamados telescopios refractores, también se desarrollaron con un solo objetivo y una lente ocular. A diferencia del microscopio, la lente del objetivo del telescopio se diseñó con una gran distancia focal para evitar aberraciones ópticas. El objetivo enfoca una imagen de un objeto distante en su punto focal que se ajusta para estar en el punto focal de un ocular de una distancia focal mucho menor. El objetivo principal de un telescopio no es necesariamente el aumento, sino la colección de luz que está determinada por el tamaño físico de la lente del objetivo. Por lo tanto, los telescopios se indican normalmente por los diámetros de sus objetivos en lugar de por el aumento que se puede cambiar cambiando los oculares. Debido a que el aumento de un telescopio es igual a la distancia focal del objetivo dividida por la distancia focal del ocular,los oculares de menor distancia focal producen un mayor aumento.^[86]

Dado que fabricar lentes grandes es mucho más difícil que fabricar espejos grandes, la mayoría de los telescopios modernos son telescopios reflectores , es decir, telescopios que utilizan un espejo primario en lugar de una lente de objetivo. Las mismas consideraciones ópticas generales se aplican a los telescopios reflectores que se aplican a los telescopios refractores, es decir, cuanto más grande es el espejo primario, más luz se recolecta y el aumento sigue siendo igual a la distancia focal del espejo primario dividida por la distancia focal del ocular. . Los telescopios profesionales generalmente no tienen oculares y en su lugar colocan un instrumento (a menudo un dispositivo de carga acoplada) en el punto focal. ^[86]

Fotografía

Fotografía tomada con apertura f / 32

Fotografía tomada con apertura f / 5

La óptica de la fotografía involucra tanto las lentes como el medio en el que se registra la radiación electromagnética, ya sea una placa , una película o un dispositivo de carga acoplada. Los fotógrafos deben considerar la reciprocidad de la cámara y el plano que se resume en la relación

Exposición ∝ Área de apertura × Tiempo de exposición × Escena Luminancia ^[88]

En otras palabras, cuanto menor es la apertura (lo que proporciona una mayor profundidad de enfoque), menos luz entra, por lo que debe aumentarse el tiempo (lo que conduce a una posible imagen borrosa si se produce movimiento). Un ejemplo del uso de la ley de reciprocidad es la regla Sunny 16, que proporciona una estimación aproximada de los ajustes necesarios para calcular la exposición adecuada a la luz del día. ^[89]

La apertura de una cámara se mide mediante un número sin unidad llamado número f o número f, f / #, que a menudo se anota como${\displaystyle N}$y dado por

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

donde ${\displaystyle f}$ es la distancia focal, y ${\displaystyle D}$es el diámetro de la pupila de entrada. Por convención, " f / #" se trata como un símbolo único, y los valores específicos de f / # se escriben reemplazando el signo numérico con el valor. Las dos formas de aumentar el número f son disminuir el diámetro de la pupila de entrada o cambiar a una distancia focal más larga (en el caso de una lente con zoom , esto se puede hacer 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 una cámara estenopeica que es capaz de enfocar todas las imágenes perfectamente, independientemente de la distancia, pero requiere tiempos de exposición muy largos. ^[90]

El campo de visión que proporcionará la lente cambia con la distancia focal de la lente. Hay tres clasificaciones básicas basadas en la relación entre el tamaño diagonal de la película o el tamaño del sensor de la cámara y la distancia focal del objetivo: ^[91]

• Lente normal : ángulo de visión de aproximadamente 50 ° (llamado normal porque este ángulo se considera aproximadamente equivalente a la visión humana ^[91] ) y una distancia focal aproximadamente igual a la diagonal de la película o sensor. ^[92]
• Lente gran angular : ángulo de visión más amplio que 60 ° y distancia focal más corta que una lente normal. ^[93]
• Lente de enfoque largo : ángulo de visión más estrecho que un lente normal. Se trata de cualquier lente con una distancia focal mayor que la medida diagonal de la película o el sensor. ^[94] El tipo más común de lente de enfoque largo es el teleobjetivo , un diseño que utiliza un grupo telefoto especial para ser físicamente más corto que su distancia focal. ^[95]

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

El valor absoluto del tiempo de exposición requerido depende de la sensibilidad a la luz del medio utilizado (medido por la velocidad de la película o, en el caso de los medios digitales, por la eficiencia cuántica ). ^[96] La fotografía antigua utilizaba medios que tenían una sensibilidad a la luz muy baja, por lo que los tiempos de exposición tenían que ser largos incluso para tomas muy brillantes. A medida que la tecnología ha mejorado, también lo ha hecho la sensibilidad a través de cámaras de película y cámaras digitales. ^[97]

Otros resultados de la óptica física y geométrica se aplican a la óptica de la cámara. Por ejemplo, la capacidad de resolución máxima de una configuración de cámara en particular está determinada por el límite de difracción asociado con el tamaño de la pupila y dado, aproximadamente, por el criterio de Rayleigh. ^[98]

Óptica atmosférica

Un cielo colorido a menudo se debe a la dispersión de la luz de las partículas y la contaminación, como en esta fotografía de una puesta de sol durante los incendios forestales de octubre de 2007 en California .

Las propiedades ópticas únicas de la atmósfera provocan una amplia gama de fenómenos ópticos espectaculares. El color azul del cielo es un resultado directo de la dispersión de Rayleigh que redirige la luz solar de mayor frecuencia (azul) hacia el 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 lo observa a través de una atmósfera espesa, como durante el amanecer o el atardecer . El material particulado adicional en el cielo puede dispersar diferentes colores en diferentes ángulos creando cielos brillantes y coloridos al anochecer y al amanecer. La dispersión de cristales de hielo y otras partículas en la atmósfera es responsable de halos , resplandores , coronas ,rayos de sol y perros de sol . La variación en este tipo de fenómenos se debe a diferentes tamaños y geometrías de partículas. ^[99]

Los espejismos son fenómenos ópticos en los que los rayos de luz se desvían debido a variaciones térmicas en el índice de refracción del aire, produciendo imágenes desplazadas o muy distorsionadas de objetos distantes. Otros fenómenos ópticos dramáticos asociados con esto incluyen el efecto Novaya Zemlya donde el sol parece salir antes de lo previsto con una forma distorsionada. Una forma espectacular de refracción ocurre con una inversión de temperatura llamada Fata Morgana donde los objetos en el horizonte o incluso más allá del horizonte, como islas, acantilados, barcos o icebergs, aparecen alargados y elevados, como "castillos de cuento de hadas". ^[100]

Los arco iris son el resultado de una combinación de reflexión interna y refracción dispersiva de la luz en las gotas de lluvia. Un solo reflejo en la parte posterior de una serie de gotas de lluvia produce un arco iris con un tamaño angular en el cielo que varía de 40 ° a 42 ° con rojo en el exterior. Los arcoíris dobles son producidos por dos reflejos internos con un tamaño angular de 50.5 ° a 54 ° con violeta en el exterior. Debido a que los arco iris se ven con el sol a 180 ° de distancia del centro del arco iris, los arco iris son más prominentes cuanto más cerca está el sol del horizonte. ^[66]

Ver también

• Óptica de iones
• Publicaciones importantes en óptica
• Lista de temas ópticos

Referencias

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Enlaces externos

Discusiones relevantes

• Óptica encendida en nuestro tiempo en la BBC

Libros de texto y tutoriales

• Light and Matter : un libro de texto de código abierto que contiene un tratamiento de la óptica en el cap. 28-32
• Optics2001 - Biblioteca y comunidad de óptica
• Óptica fundamental - Guía técnica de Melles Griot
• Física de la luz y la óptica - Libro de pregrado de la Universidad Brigham Young
• Óptica para fotovoltaica : una introducción paso a paso a la óptica clásica

Módulos de Wikilibros

Guía de estudio de física / Óptica

Óptica

Otras lecturas

• Óptica y fotónica: la física mejora nuestras vidas por publicaciones del Instituto de Física

Sociedades

Sociedad Óptica Europea - enlace La Sociedad Óptica (OSA) - enlace SPIE - enlace

Consorcio Europeo de la Industria de la Fotónica - enlace