Investigación y Ciencia Temas 06 - La Ciencia de La Luz
Investigación y Ciencia Temas 06 - La Ciencia de La Luz
Investigación y Ciencia Temas 06 - La Ciencia de La Luz
La eienei a
de la lu
%
Sumario
Teoradelarcoiris
....2
H. Moyss Nussenzveig
Objetivosfotogrficos
...
William H. Price
...16
y de su poriene, el ontiesenoscopio . . 29
Microscopa confocal . . . .
36
JeffW. Lichtman
42
Coherencia ptica
46
54
Emmen N. Leith
Opticaadaptativa
....68
Espejos lquidos
74
Ernrunnt F. Borya
..80
..86
Giroscopios pticos
Dana Z. Anderson
Tensinvisible
Interferometra ptica de
......93
superficies
Conjugacin de fase
ptica
..
100
106
"H:"e
ffi
-#
la aplicacin de mi
mtodo."
E1 arco nico y brillante que se ve
tras un chubasco de lluvia o en la
rociada de una cascada es el arco iris
picua es su despliegue de colores, que
la difraccin y
1a
explcitamente para tratar e1 problema del arco iris y otros estrechamente relacionados con 1. El arco iris
ha servido de piedra de toque para
poner a prueba 1as teoras pticas. La
ms afortunada de el1as puede, hoy,
La comprensin cientfica
dei
fsica matemtica
TI
s1o
esos rasgos.
Tues 6
Le CrpNcre o
Luz
variaba Ia posicin del ojo para explorar los otros ngulos de dispersin,
aparecan los otros colores espectrales, de uno en uno, por lo que llegaron
a la conclusin de que cada uno de los
colores del arco iris llegaba aI ojo pro-
LADO
ILUMINADO
ARCO IRIS
SECUNDARIO
BANDA OSCURA
DE ALEJANDRO
.
o
a
)l
ARCO IRIS
PRIMARIO
ARCOS
SUPERNUI\ERARIOS
LADO
ILU I\4INAD O
es
1a
geometra,
LLUVIA
aproximadamente 1.33.
agua se retarda al atraYesar 1a superficie de separacin: si incide oblicuamente sobre dicha supel'flcie. e1 cam-
OBSERVADOR
ngulos de incidencia
1os
:' refraccin
a 1a tra-ectoria de un
RAYO
NCI DENTE
ralo luminoso
AIRE
60'
RAYO
REFLEJADO
s1o
dis-
1a
AGUA
RAYB
N.Erai
,:
:.
fiEF,RACTADO
es tangente.
tre el aire y el agua son los hechos bsicos en la formacin de un arco iris. Por lo
RAYO DE
TERCER ORDEN
(ARCO rRrS
PRTMARTO)
por tanto a una serie de rayos difundidos, cuya intensidad suele decrecer
rpidamente. Los rayos de primer orden representan la reflexin directa
por Ia gota y los de segundo orden se
-l
PARAIVE'
DE IIVPA(
o
GOTA DE AGUA
RAYO DE
CUARTO ORDEN
rARCO ]B S
SECUNDARIO)
RAYO DE PRIMER ORDEN
EL RECORRIDO DE LALUZ al atravesar una gota se puede determinar aplicando las leyes de la ptica geomtrica. Cad.a vez que el haz incide solre la superficie,
parte de la luz se refleja y parte se refracta. Los rayos reflejados directamente por
Ia superficie se llaman rayos de primer orden; los que se transmiten directamente
a travs de la gota se llaman de seg:undo orden. Los rayos de tercer orden emergen
tras una reflexin interna; stos son los que originan el arco iris primario. El arco
secundario est constituido por rayos de cuarto orden, que han experimentado dos
reflexiones internas. El valor del ngulo de desviacin de los rayos de cada tipo est determinado por un nico factor, el parmetro de impacto (que es la distancia
del rayo incidente a un eje paralelo a l y que pase por el centro de la gota).
4.
y, si el parmetro
de
junto
entre
6
o
o
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100
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ou^^
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(,
PARAI\4 ETRO DE I [/
PACTO______--.>
RADIO DE
LAGOTAJ
l\-,
PARAI\lETRO
DE IMPACTO
Tivras 6
t
,YO DELARCO IRIS
os arcos supernumerarios aparecen en el lado interno, o iluminado, del arco primario. En esta regin
angular hay dos rayos de tercer orden
que, tras haber sido difundidos, emergen en la misma direccin; provienen
de rayos incidentes que tienen parmetros de impacto a uno y otro lado
del valor que corresponde al arco iris.
As, para cualquier ngulo dado lige-
J
I:l
interior
ltz
era
capaz de producir interferencia, fenmeno que ya era conocido por eI estudio de las olas en el agua. La super-
\-
trayectos de los dos rayos, esos ngulos estn afectados por el radio de la
gota. El aspecto de los arcos super-
difraccin
,1
I
I
U)
o
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anr"ron
oscunA
ARCO
PBI\4ARIO
ANGULO DE DESV1ACION
-_.>
PRIMER
ARCO
SU PER NU M
RARIO
numerarios (en contraste con el ngulo del arco irisl depende. pues, de1
tamao de ias gotas. En el caso de
gotas grandes la diferencia aumenta
mucho ms rpidamente que para
gotas pequeas con e1 parmetro de
impacto. De aqu que, cuanto mayores sean las gotas. tanto ms estrecha ser Ia separacin angular entre
1os arcos supernumerarios. Los arcos
son casi imposibles de distinguir si
las gotas son de dimetro superior a
un milmetro aproximadamente. La
superposicin de colores tiende tambin a eliminar los arcos. La dependencia de los arcos supernumerarios
respecto al tamao de las gotas
explica por qu son ms fciles de ver
cerca de Ia cima del arco iris: Ias
gotas de lluvia tienden a hacerse
determinar
1a
distribucrn de intensi-
-t
\f
tin Jean Fl'enel. E.te ll'incipio corrsidera cada punto de un frente de ondas
como fuente de ondas esfelicas secun-
1a
propagacin de
difraccin. La manifestacin ms
familiar de la difraccin es la manera
lo ms que generalmente
puede
ximacin.
Tplrt,.s 6
Airy.
La distribucin de intensidades
predicha por la funcin de Airy es anIoga a la figura de difraccin que aparece en la sombra de un filo rectilneo.
En el lado iluminado del arco primario hay oscilaciones de intensidad que
corresponden a los arcos supernumerarios; Ias posiciones y anchuras de
esos mximos difieren algo de lo predicho por la teora de la interferencia
de Young. Otra diferencia importante
de la teora de Airy es que Ia intensidad mxima del arco iris se produce
para un ngulo algo mayor que el n-
cido a la luz del Sol, hay que superponer las distribuciones de Airy generadas por las diversas componentes
monocromticas. Pasar ms all y
describir la imagen del arco iris que
se percibe exige una teora de la visin
del color.
J
I
U
E
N
l
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U
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(J
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A
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.
BAYO POLARIZADO
de
PARALELAMENTE
o
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l
8.
o
J
RAYO POLARIZADO
PERPEN DICU LARMENTE
l
(,
Le CrsNcra DELALUz
30
40
50
60
70
--
EVANESCENTE
54
fl>l
;lol
polarizantes y girando
1os cristales
o
,
irl
>l
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cl
fI_
1a
9.
se
se
de
muchos efectos pticos. entre 1os cuales ha.r'que contar el al'co rri..
Tues
yectoria que representa una desviacin angular local mxima. Esa trayectoria resulta ser la que hace un uso
rr,s eftcaz de la interaccin atractiva
entre tomos. Debe esperarse una
gran concentracin de partculas en
sus proximidades: es el ngulo del
arco iris para tomos que interactan.
Kenneth W. Ford y JohnA. Wheeler
dar una formulacin matemtica precisa del problema del arco iris ptico.
Se necesita calcular la dispersin de
una onda electromagntica plana por
una esfera homognea. La solucin de
un problema parecido, aunque algo
ms sencillo, es decir, la dispersin de
ondas sonoras por una esfera, haba
sido estudiada por varios investigadores en el siglo xx, sobre todo por Lord
Rayleigh. La solucin que obtuvieron
constaba de una serie infinita de tr-
formularon un tratamiento mecanocuntico del arco iris atmico y nuclear en 1959. La interferencia entre
trayectorias emergentes en la misma
direccin da lugar a mximos supernumerarios de intensidad. Y se ha
deducido una teora de Ia dispersin
de partculas anloga a Ia de Airy.
El primer arco iris atmico fue ob-
1o
guida prohibitivos. Adems un ordenador no puede calcular ms que soluciones numricas; no ofrece medio de
J
I
MAXIMOS
SUPEBNUMERARIOS
amplitudes a
ARCO IRIS
PRIMARIO
de o
U)
U
L
a
o
@
o
F
U
La CmNcra DELALuZ
0,5101520253035
ANGULO DE DESVIACION (GRADOS)
10. ARCO IRIS ATOMICO deectado por E. Hundhausen y H. Pauly af estudiar la
dispersin de tomos de sodio por tomos de mercurio. Las oscilaciones en el nmero de tomos desviados corresponden a un arco iris primario y dos mrximos supernumerarios. IJn arco de esta clase contiene informacin sobre la intensidad y el
alcance de las fuerzas interatmicas.
11
PARAMETRO DE
BAYO
IMPACTO
TANGENTE
IGUAL AL
BADIO
,ONDA
SU PE RFICIAL
RAYO INCIDENTE
DE
LA GPTA
'
ONDA
SUPERFICIAL
LA TEORIA DEL MOMENTO cintico complejo del arco iris comienza con la observacin de que un fotn, o cuanto de luz, incidente sotrre una gota a cierto parmetro de impacto (que no se puede definir exactamente), transporta momento ci'
ntico. En la teora, las componentes de ese momento. cintico se extienden hasta
abarcar valores complejos, es decir, valores que contienen la raz cuadrada de -1.
Las consecuencias de este mtodo se pueden ilustrar mediante el ejemplo de un rayo que incida tangencialmente sobre una gota. El rayo genera ondas superficiales
que viajan sobre la superficie de la gota y emiten radiacin continuamente. El rayo puede tamlin penetrar en la gota con el ngulo crtico para la reflexin total
interna, emergiendo bien para formar otra onda superficial o bien para repetir el
trayecto interno que, segrin se explica en el texto, es ms corto.
11.
de
hecho ciertas restricciones adicionaIes sobre este proceso. Por una parte,
tome solamente ciertos talores discretos: por otra. deniega 1a posibilidad de detelr-ninar en forma precisa
e1
intensidad
se
hace des-
1a superficie
fronteriza, propagndose a 1o largo de
ella; se llama onda e\-anescente. La
descripcin matemt1ca de la or.rda
ondas parciales.
se
tico complejo.
Mucho es 1o que se gana a cambio
de 1as abstracciones matemticas del
mtodo del momento cintico complejo. Sobre todo que, tras recorrer el
plano del momento cintico complejo
mediante la transformacin de Wat-
1a
luminosas difractadas
Las contribuciones de los poios de
Regge a 1a serie transformada de ondas parciales van asociadas a ondas
superficiales de otra clase. Estas ondas
son excitadas por rayos incidentes que
atacan 1a esfera tangencialmente. Una
vez creada tal onda, se propaga sobre
1a esfera, pero se \a amortiguando continuamente porque emite radiacin en
sentido tangencial, como un aspersor
dejardn. En cada punto, a 1o largo de1
camino circuiar de la onda, sta penetra tambin en la esfera con un ngulo
de incidencia igual al crtico para que
se produzca reflexin total interna, ree-
Tns
de
Descartes del arco primario como rayo
de mnima desviacin no es en manera
tal
SOLUCION
EXACTA
3
a
U
o
N
l
TEORIA
DEL MOMENTO
o
o
o
zU
ctNETtco
COM PLEJO
10*
139
140
141
ANGULO DE DESVIACION
JVIACION (GRADOS)
12. LAS
CreNcr,q oe La
Luz
1500
l3
de
Airy,
por
la regin de
Evaporitas, de C. Ayora,
C. de las Cuevas, J. Garca Veigas,
J. J. Pueyo
1993
L. Miralles,
Octubre
P.
Teixidor
Diciembre
1993
El manto terrestre
subocenico,
de Enrico Bonatti
Ylayo 1994
Resolucin de Ia paradoja
de los terremotos profundos,
de Harry W. Green ll
Noviembre 1994
Marzo
1995
Abril
1995
Enero
falla claramente. Para los arcos supernumerarios, Ia solucin exacta muestra mnimos donde la teora de Airy
presenta mxima intensidad y viceversa. Este serio fallo deriva de Ia casi
total coincidencia entr"e el ngu1o de
reflexin interna de los rayos dei arco
iris y ei ngulo de Breu,ster. La ampli-
de
1996
Evolucin de la corteza
continental, de S. Ross Taylor
y Scott M. Mclennan
Marzo 1996
e1
efecto de
1os ra.r'os
com-
efectivo.
Tlln
l!
de1
naturales J'encon-
se
:k i I I -
i- i r \
t957.
Coroun r: ruE OpEr AIR. \{.
Minnaert. trad. al ingls por H. \1. K-remer-Priest l revisado por K. E. Brian Jar'.
G. Bell and Sons Ltd.. 1959.
Tu Rt:{so[': Fnorrt \,1rru ro \irrsEI\TATICS. Carl B. Boyer. Thomas YoseLrGHT AND
loff.1959.
INTRoDt-icrroN To METEoRoLocrcrL OpTICS. R. A. R. Tricker. American Elser ier
Publishing Co. Inc., 1970.
THEoRy op ru Rer*eow. V. Khare y H
M. Nussenzveig en Phtsical Ret:iev,LetIers, vol. 33. n.u 16, pgs. 976-9801 1.1 de
.
octubre.1974.
t4
TE\1AS 6
es
de obje-
tivos un trabajo mucho ms productivo. Algunos de los objetivos que pueden encontrarse ahora en las tiendas
eran inimaginables hace unos decenios, mientras que otros, cuyo diseo
16
I
la.
-u. pri-
meras flotogralias con una canrara oscura con lente de meniscu. ellseguida trat de conseguir algo rlej or. Se
sabe que Charles Louis Cher-aher. que
trabajaba en Pars en una empresa de
Tu.rs
L,J
L,r Cr.Ncrl
Dr-t LA
Luz
t7
"1as
8.\,ALUZ
1a
conclusin
tir la dispersin
cromtica. EI truco
consiste en construir lentes que tengan al menos dos elementos. El primero es una lente convexa fabricada
con un vidrio que disperse los colores
1o menos posible. El segundo es una
lente cncava de un vidrio que los disperse al mximo. Digmoslo correc-
4. LA ABERRACION CROMATICA puede corregiree eombinando vidrios de dispersin diferente. En este ejemplo de un objetivo sencillo de dos elementos, el primero
es de vidrio de bqia dispersin mientras que el del segundo, que tiene vergencia
opuesta y menos graduacin, es de dispersin elevada. La dispersin se cancela, pero se conserva la capacidad de enfocar. La dispersin de los colores est exagerada.
18
1a
Terres 6
5. LA ABERR,CION ESFERICA es una caracterstica inherente a todas las lentes de seccin esfrica. La luz que proviene de un mismo punto objeto alcanl.za su foco en puntos li-
COIL{ se produce cuando la luz que proviene de un punto objeto descentrado pasa a travs del permetro de la lente
y forma un foco anular, que se encuentra desplazado radial6. EL
e1
centro
OBJETO
L,c
Crxcrr r
r-rr
Luz
t9
RAYO INCIDENTE
,l
iS
LENTE i
I
I
K-
**1\
fu,"
\7
\/t,/
se
es que las
20
muchas contribuciones estn el nmero de Abbe, utilizado para la clasificacin de los vidrios pticos, y la condicin de Abbe para el seno, que define
Ias lentes exentas de coma. El nmero
de Abbe es el recproco del grado de
figura
Terr'tes 6
L) ,*
T\urante
2.00
1.95
1.90
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55
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50
45
40
cq
20
NUMERO DE ABBE
11. I"AS PROPIEDADES de los vidrios pticos suelen caracterizarse mediante su ndice de refraccin, n,, qtre mide la capa'
cidad del vidrio para desviar lalruz,y su nmero de Abbe, v,
que mide su capacidad para dispersar la luz blanca en un espectro coloreado. Cuanto ms bajo sea el nmero de Abbe ma-
La CreNcre DELA.LUL
yor
es
2t
12. LAABERRACION esfrica transversai, lr, de una lente, Z, mide en qu grado los rayos de luz originados en O dejan de con-
resultaba difcil entender 1a magnitud de esta tarea. Las nicas herramientas con que se contaba eran unas
A pesar de 1a tosquedad de los mtodos, casi todos los tipos fundamentales de objetivos que se utllizan actualmente se descubrieron en esta poca.
Algunos, como el Sonnar f ll,5 de
Zeiss, sorprendieron por su luminosidad. Otros, como los tripletes de
difelencia de
1a
pti-
la
aberracir-r esferrca
distancia medida pelpendicularmente a 1a travectorra del ra'o luminoso. En e1 esquema de1 objetir-o I 1a
aberracrn transversal desde e1 pr,rnto
deseado. l. se designa mediante una
cantidad /i tque define 1a altura hacia
arriba o hacia abajo de1 ejer. La consideracin de1 esquema nos indica que
/u es funcin nicamente del punto por
utilizndose actualmente.
22
es
al segundo y desde el segundo al tercero. Tambin puede elegir la potencia, o aumento, de cada uno de estos
tres elementos. Y, por fin, la curvatura
de una de las caras de cada elemento
puede frjarse de modo independiente;
el aumento. Es as como, con experiencia y tiempo suficientes, el diseador puede en principio encontrar
alguna combinacin de las ocho varia-
pl
I-l
contradicen la simetra.
Para objetivos de apertura y campo
pequeos los trminos de orden superior se vuelven despreciables. Si se
corrigen las aberraciones representadas por el exponente de orden tres, la
mayor parte de la energa luminosa
se concentra en el punto imagen. Las
primeras frmulas prcticas para calcular los trminos de tercer orden de
CTENCTA
or,r.Luz
1-)
de
vida fue muy diferente. En 7927 era un vidrio que presentase baja disGeorge W. Morley, que trabajaba en persin y un ndice de lefraccin muel laboratorio de geofsica de la cho ms alto que el de cualquiera de
Carnegie Institution de Washington, los entonces disponibles.
demanda, hizo que su departamento una de las tierras raras, para fabricar
proyectase cierto nmero de objetivos sus casi opacas piezas de vidrio.
1/
ste el prefijo que tenan en el cat]ogo de Kodak. Los pro'ectos de objetivos hipotticos haban sido profeticos
y actualmente todos 1os fablicantes de
vidrios pticos producen \-idrros de tren'as raras. Cualquier objetivo fotogn'afico de calidad que se fabnque ahora
cuenta a1 menos con un elemento
hecho con este tipo de r-idrio.
Era de esperar que. al tiempo que
leolr lan mtrchos de los arttieuos problemas. 1os nuevos vidrios de tierras
1os
TEN,{AS 6
Intre
I-ll viables gracias a los recubrimientos y a los vidrios de tierras raras
se encuentran los de distancia focal
variable, conocidos como "zoom", que
haban hecho su primera aparicin en
los aos treinta con el Vario-Glaukar
de la
dispersin reducida. La disponibilidad de esta materia prima excepcional dio libertad a los proyectistas para
prometedor
de los mtodos
disponi-
caras tenan que encajar perfectamente y se cementaban para minimizar las fronteras aire-vidrio. U na vez
domeado aquel problema se pudo
abandonar tan costoso camino, retornndose a los objetivos de tipo Gauss,
que aprovechan estas discontinuidades entre eI aire y el vidrio. Una lente
de Gauss de cuatro elementos tiene al
menos ocho de ellas y, como el aire se
25
SUPERFICIE AESFERICA
1as
cmaras
ms sencillas y desembocando en Ia
produccin de objetivos tripletes por el
mtodo del moldeado por inyeccin,
que era un iogro notable si se tienen
en cuenta los serios problemas que
hubo que afrontar.
Uno de los inconvenientes de las
lentes de plstico son los cambios trmicos, pues presentan menos densidad y un ndice de refraccin ms bajo
en una atmsfera caliente que en otra
fra. Los investigadores de Kodak tra-
a
de
incidente
se
I
la,
1as
1a
TBn.s 6
1i
rftala resolucin
de un gran nmero
simultneas no lineales
de ecuaciones
que entonces costaba unos 2000 dlares. El coste del mismo anlisis con el
programa mejorado que escribi para
5 dlares.
impecable.
Se demostr pblicamente que esto
era factible en un simposio de ptica
120
0
-
E:
1oo
L]J
cron
o""
g
\
LA CANARA (A)
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>60
F
LA PELT9ULA
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E[,4ULSION D EL PAPEL
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\
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\
cl
ELOJO(ArBxCxD)
zi
oO
1
FRECUENCIA ESPACIAL BELATIVA
18.
10
La CrsNcre
ogtLuz
.1110
ojo humano, normalizada para que muestre el pico de respuesta (lOOVo de contraste relativo) para una frecuencia espacial relativa igual a uno. A diferencia de las lentes, el ojo degrada el contraste de las imgenes cuya foecuencia relativa es
mayor y menor que uno. La imagen percibida por el ojo es el
resultado de multiplicar las cuatro primeras curvas de modulacin (la del objetivo, la de la emulsin de la pelcula, la
del objetivo de la ampliadora y la de la emulsin del papel).
La calidad de la imagen transmitida al cerebro es proporcional al rea definida por la ltima curva, que es la resultante
del proceso mencionado.
21
COLABORADORES
DE ESTE NUN,IERO
Traduccin:
Manuel Puigcervcr'. Teoru tlel urco iri.s.
M. Luisa Calvo Padilla: Objetivo.s.fbngrJicos: J. Vilardell: DeLiticts clel esenost t'l)itt \ d( \tt l)tu tltt . l ottit't, ilt'\t,'lt,)
y Tensirin llsl1: Luis Bou'. Mitro.stotu
conlocal, Ramn Fontarnau 1,Frances E.
L ntl: ( ,rr,lrii, , it,Jt Jt lt tilit ti'\t )lt,1
.sintple: Juan Santiago: llologrunt.us tle lLr.
b l tut t u: Mntca Murphy: Optica atlcr p t n
tittt y Espejos lquilo.s; Amanclo Garca:
Opt ic:o
in
(4ttit'tt: Jos M.
.fa.se
Gi rosL rttio.s 14tt icos.
tlt
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13
11
Grhor Kiss
\ornran GolLiberg. cortesa dt'
P tpul u r P lt t,t t q ntplt
8-27
Kenneth
-11
1l )+
N'lichael Gooilman
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36--17
Jeff W. Lichtnran
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Nlatthew H. Chestnut
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.+7-51
5-5--58
59-66
69
JetT
W. Lichtrn
Fritz Goro
Gcorge V. Kelr'in
Roger Ressrcrcr/Starlight Phrti
Aeency. Inc.
10
Jared Schneidrnan/JSD
1t
72-73
15
76
Boris Strrosta
71
78
E0-8
82
28
calidad de las fotografas que prodtzca. Gran parte del misterio que
rodea la "calidad" de los objetivos fue
desentraado por Otto H. Schade en
Frank R. Scufert
Nlichacl Coodman
Glen Nl. Robinsin. Darid Nl. Perrl
y Richard W. Peterson
102-101
Andrew Christie
10,1
110-lll
lubrtjo)
106-107
108
109
tt3-E5
86-87
8E-90
91
91
95-99
100-l0l
1os
Ribert J. Sica
19
en seguridad respecto de las caractersticas que tendr el ploclucto terminado y cmo se desan'ollar' su ploduccin. Esta gran segllridad clelir-a
Dan Tcdd
29
Pgina
4-
Ian Worpole
il1lll-lij{iR.l!::.'! -i)\Ir)l
i:"Ii:\ r:ii.I \.
tr Drslcs:
hc..
1960.
Puoroon.rpul't lrs
CEssEs.
D.
Vrn
JI:rrRrrrs
A\D PRo-
Tns
mientras que la novedosa y original idea de la fotograa antiestenoscpica procede de Adam Lloyd Cohen,
La fotografa estenoscpica (estenopetografa) se
basa en el paso de la luz a travs de un orificio practicado en una pantalla opaca. Luego la luz va a parar
sobre un trozo de pelcula, donde reconstruye una imagen del objeto fotograf iado. Referencias a las imgenes
estenoscpicas se encuentran ya en Aristteles; Leonardo
da Vinci estudi sus principios y Lord Rayleigh las ana-
l:r
;
l.l:
:;:l
L Clrcn
DE LA
Luz
29
punto del objeto colocado frente a ella proyecta su propia manchita luminosa sobre la pelcula (o papel fotogrfico), La reunin de esas manchitas constituye la imagen que registra la pelcula. Para que dicha imagen sea
ntida, las manchitas contiguas no deben solaparse;
habrn de ser, pues, lo ms pequeas posible.
Buena parte del diseo de un estenoscopio descansa
en la eleccin del tamao del estenope y de una distancia entre dicho orificio y la pelcula tales que las manchitas luminosas proyectadas sobre la pelcula queden
separadas y alcancen su mxima luminosidad. En princi-
30
viene a coincidir, aproximadamente, con la raz cuadrada del producto de la longitud de onda de la luz por
la distancia entre el orif icio y la pelcu a,
A partir de la relacin mencionada cabe definir una
distancia focal del estenope, Este acta como un objetivo. en el sentido de que proporciona una magen concentrada de un objeto. Su distancia focal es aproximadamente la longitud de onda de a luz partida por el
cuadrado del radio del orificio. Cuando la pelcula diste
del estenope una longitud igual a la distancia focal, la
manchita luminosa de la pelcula ser reducida y clara,
pues slo entonces Ia zona central llena por completo el
estenope y contribuye con su luz al punto central.
Supongamos que el obleto est cercano. 5i hubiramos de fotograf iarlo con un objetivo refringente, podramos calcular la distancia correcta entre ste y la
pelcula aplicando la frmula llamada de las lentes delgadas, que establece que la inversa de la distanca entre
objetivo y pelicula debe ser igual a la inversa de la distancia focal del objetivo menos la inversa de la distancia
al objeto. Esta relacin mantiene su validez para los estenopes, con tal de que la distancia focal se defina de la
forma indicada antes; ello permite enfocar una cmara
oscura y obtener as una fotograf a de la mejor nitidez.
Si el objeto est alejado, la mejor posicin de la pelcula es la correspondiente a la distancia focal. Si nos desplazamos hacia el objeto, acortando la separacin entre
el mismo y el estenope, deberemos incrementar la distancia entre la pelcula y el estenope, a fin de mantener
la nitidez ptima en la imagen, Una correccin tal quiz
no resulte muy viable, ya que en los estenoscopios suele
ser fija la distancia entre estenope y pelcula, en cuyo
caso vale la pena sustituir el estenope por otro menor,
de suerte que disminuya la distancia focal.
En la prctica no se efecta ninguna de esas correcciones, dado que la nitidez de la fotografa suele ser
aceptable, aun cuando el tamao del estenope y la dis-
Tlvt,q.s 6
#{
ff
",e
ffi
gran angular obtenido por John M. Franke con una cmara oscura
2. Fotograma
- dolada
de una semiesfera de vidrio detrs del estenope
LA
CTENCTA
s r- Luz
31
Pe[cu
Io
Fuente de
lvz
z nviodo oI
punto,
Lu
frcr't
Zonas
'
de tcr
pet cula
32
tancia correcta del estenope. Si el centro de la pelcula se coloca a la distancia correcta del orificio, todos los
dems puntos de la pelcula quedarn
demasiado lejos, lo que significa que
nicamente se obtendr una nitidez
ptima en el centro.
TsNr,A.s 6
t,
ruNru
Dtlncr seporocn
Seporocidn [mib
5aporocicn cspuricr
5. Tipos de separacin
soporte cilndrico.
John M. Franke resolvi esa dificultad de un modo
ingenioso. Puso una semiesfera de vidrio inmediatamente detrs del estenope de la cmara, en Ia cual el
dos le permiti a Franke ubicar la pelcula a una distancia conveniente del estenope y, aun as, obtener un fotograma gran angular con un campo de casi 180 grados.
Franke emple una semiesfera de 25,4 milmetros de
dimetro, construida con vidrio BK-7. cuyo ndice de refraccin es de 1,5 aproximadamente. Aunque el dimetro no
influye de modo decisivo, con vidrios de diferentes ndices
de refraccin se consiguen diferentes resultados. puede
resultar entretenido e-nsayar con otros vidrios e incluso
con plsticos de buena calidad. Si se desea un campo de
180 grados, las imgenes resultarn algo distorsionadas
hacia los bordes de la foto.
Hay varias formas de construir un
JJ
Dicrf
de
cdrnpo
Sombrcl
Royo. obstruido
o.o( el
ntiesfenoPe
deI
punto A
las
Da la coincidencia de que mi
Ilumnocin procede.nte de
Unct fuent xFenso
7. Montaje antestenoscpico de Adan Lloyd Cohen
con cuidado para que la punta no la traspase por completo, tras de lo cual da la vuelta a la pieza y fricciona con
papel de lija fino el conito formado en el reverso de la
embuticin. Estas operaciones las repite tantas veces
como sea preciso, hasta que obtiene un orificio lo suficientemente ancho para que por l pase la caa de la
punta del comps, cuyo dimetro ha medido previa-
34
el
figuras de dif raccin importantes. La imagen la crea sencillamente la obstruccin de los rayos luminosos procedentes del objeto. Toda manchita que aparezca en la
pelcula registra la sombra de una porcin del objeto que
se encuentra en la interseccin del objeto con la recta
def inida por la manchita y el antiestenope.
Los fotogramas obtenidos con antiestenopes tienen
peor contraste que los estenoscpicos. porque los dispositivos antiestenoscpicos permiten que a la pelcula
llegue casi toda la luz procedente de la escena. De esa
luz, la mayor parte es una iluminacin uniforme que no
sirve para nada y que simplemente reduce el contraste
de la imagen. Es el resto de la luz, la fraccin no uni{orme, la que transporta la informacin acerca del
objeto. El contraste mejorara si hubiera alguna forma
de disminuir la iluminacin uniforme o de aumentar la
la
escena.
W
8. Estenopeto grafa (izquierda) y antiestenopetografa
de una P recortada en papel, obtenidas por Cohen
rente al suyo. Este cambio depende del color que da la combinacin de los colores de los objetos
del conjunto. Si la combinacin da
blanca, cada color del conjunto
cambia en la fotografa a su complementario; un objeto rojo dar
una imagen cuyo color ser la sus-
.ru
oBtt,Luz
BELIfiORATIA COMPI".EMTNTARIA
35
Microscopa confocal
Jeff W. Lichtman
E st a
cni c a nti
c t'ct s c t i c
e1
36
de los
feliz resultado
ahora contamos
con docenas de tipos de microscopios
confocales, en una gama que va desde
lo rudimentario hasta lo barroco.
Minsky desarroll Ia tcnica mientras reflexionaba sobre el funcionaes que
el objetivo enfoca luz tomada cle p1anos situados por debajo de 1a superficie del tejido cerebral t o de cualquier
1. GRANOS DE POLEN de girasol (arribo) y de pino \serie inferior r' Estos "retra'
tos" han sido preparados a partir de imgenes obtenidas con un microscopio con'
focal de planos sucesivos de cada grano. Un ordenador digitaliz dichas imagenes
secciones pticas- y las combin, Tales reconstrucciones digitales pue'
-Ilamadas
den observarse en cualquier orientacin; el polen de pino se muestra tde izquierdct
o derecha) en vista lateral, en vista lateral opuesta. girado 72 glados respecto a la
primera posicin y desde arriba.
Tsl,r.cs 6
L..r
Crxcl,q s r- Luz
3'7
2. UNAMICROCAPSULADE POLIMERO rellena de fluido (esfera grand.e), de 0,1 milmetros de dimetro. La imagen se obtuvo a partir de una pila de secciones pticas, entre las que se
contaban las esferas menores aqu mostradas. Las imgenes
fueron preparadas por Matthew H. Chestnut para comparar
38
flon
esa
se
3.
tejido que
de la muestra. La eleccin
de una pantalla grande fue
enfocadas.
El problema obvio
que
DE LA
Luz
de
ACTfVAS (ob.ietos coloreados) resaltadas en este corte de tejido cerebral de un roedor. La figura es una com.
4. NEURONAS
39
(en rojo en b) einfrayacenies (en naranja) del plano de inters. Por ltimo, la luz se traslada de una zona a otra hasta
explorar el plano por completo. La nitidez que esta tcnica
proporciona resulta evidente en las fotografas al pie, obte-
kl
40
ffi
TEMAS 6
5. LA TEXTURA SUPERFICIAL de una pastilla ("chip"), mostrada en una micrografa ptica normal (izquierda\ y en una
samiento de imgenes no slo registran el brillo de cada zona de cada seccin, sino tambin la ubicacin de esa
rea en la muestra, o sea, su localizacin en un plano individual (las
coordenadas x e y) asi como la profundidad de ste (la coordenada z).
Los luares definidos mediante la terna de coordenadas se llaman "vxeles",
ultrarrefinada de lseres. instrumentos pticos, sistemas electromecnicos de barrido y de procesamiento informtico de imgenes. Ha
dado a la microscopa la capacidad de
ver el interior de los objetos y de crear,
:;t:l:.],,,
t:, :
..-
li, i ::Ii:t'.r':l.::',
B\
FLLOREscExcg
Ltcur
julio de 1987.
)IE\rorR o\ INVENTINC rup CoNroc,A.tScA\\rNG MrcnrscopE. M. Minsky en
Stttrutirtg. vol. 10. n." ,1. pginas 128138: julio/agosto de 1988.
HrcH-RESoLLTToN Ir,rrcrNc on Svs,r.prrc
Stnuctunr rvrtu .r SttvlpLg CoNFocAL
Nf rcRoscopE. J. W. Lichtman. W. J. Sunderland y R. S. Wilkinson e Netv Biolo,gl,sr. r.'ol. I . n.n 1, pginas 7-5-82; octubre
de 1989.
4t
Construccin
de un microscopio simple
C. L. Stong
t
I
E
Y
/t
-/
tr--
cuestin de minutos.
Los historiadores no estn seguros de quin invent
el microscopio. Como les sucede a muchos productos
tcnicos, el instrumento parece haber evolucionado
gracias a la acumulacin de diversos conocimientos,
muy entrelazados y difciles de aislar.
La lupa ms antigua de las descubiertas hasta
ahora se encontr en las ruinas de Nnive por el
arquelogo britnico Sir Austen Layard. Era una
lente planoconvexa de cristal de roca toscamente
roto
microscopio de Leeuwenhoek
42
Viejo, en elao'100 d.C., cit la "propiedad de quemar que tenan las lentes hechas de cristal". Pero la
ciencia de la ptica, segn se entiende modernamente, no se inici hasta el siglo xrrr, aproximadamente.
TEtntAs 6
cemenEo
Soporte eldscicb
de laEoh
para la lgnbe
Cualquiera que tenga algn tiempo libre puede construirse un microscopio como el de Leeuwenhoek. 5u ejecucin es fcil y confiere al principiante una valiosa experiencia en la preparacin y manejo de los especmenes.
Los materiales necesarios son una varilla de cristal, corta y delgada; una lmina metlica, por ejemplo de hierro
o latn, de unos 2,5 x7,5 cm y de 1,5 mm de espesor; dos
tornillos pequeos con las correspondientes tuercas; un
tubo de pegamento de secado rpido y un poco de ceof n.
terminada. El aumento de la
pequea perla ser de unos 160
dimetros, si se ha preparado cui-
Le CnNcra DELALUZ
Portainuesbras
,aiusLable
!ornillo
Preparacin
de
las
43
INVESTIGACIOIi Y CIENCIA
DTRECTOR cENERAL Francisco Gracia Guilln
EDrcroNEs Jos Mara Valderas. director
ADN'rr\rsrRACrN Pilar Bronchal. directora
IRoDUCCTN M.o Cruz Iglesias Capn
Bernat Peso Infante
Carmer.r Lebrn Prez
sECRETARA Punficacin Mal,oral Martnez
eorn Prensa Cientfica. S. A. Muntaner. 339 pral. 1."
08021 Barcelona {Espaa)
Telfono (93) 411 33,14 - Telefax (93)'+14 -51 l3
SCIENTIFIC ANIERIC,{N
FrDrroR rN csler John Rennie
BoARD oF orrons Michelle Press.
44
Joachim P. Rosler
en "grampositivas" y "gramnegativas".
La preparacin de muestras para el microscopio ha ori-
John J. Hanley
l.
BIBLIOGRAFIA COM
PLE M
NTARi,A
DISTRIBL CIO\
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para Espaa:
GM Publicidad
Francisca Martnez Soriantr
Menorca. 8. semiscitano. centro, rzquierda.
28009 Madrid
Tel. (91 ) :109 70 l-5 - Far 91 r -109 70 .16
NIIDESA
Carretera de Irn. krn. I3.350
(Variante dc Fuencarral)
28049 Madrid Tel. (91) 662 l0
0L)
l.i'
Catalua y Brleares:
Miguel N{unill
Muntaner. 339 pral. 1."
0802 I Barcelona
Tel. (93) 321 2l l+
Fax (93) l1-1 51 13
Mrllugirtl4 Edtor:
PUBLTsHER
sita ninguna mquina especial para cortar, pues una simple hoja de afeitar sirve para muchos tipos de muestras.
Cuando un organismo es completamente transparente,
a veces es necesario colorearlo o colocarlo dentro de una
substancia refractora de la luz. El proceso de tincin es un
arte en s mismo, ya que siempre se produce una alteracin qumica del organismo. Hay colorantes que afectan
a una parte determinada de la clula, pero no a otras.
Utilizando diferentes productos qumicos se puede teir
el ncleo de un color y el citoplasma que lo rodea de otro.
-139
pral.
Reservados toclos los derechos. Prohibida la reproduccin en toclo o cn perte por nin-crn medio
mecinico. lbtogrlico o elecrnico. rsi como cualquier clasc de copia. reproduccin. registro
o trilnsmisin para uso pblico o privado. sin 1a previa autorizacin escita del editor del Iibro.
ISSN: I 135 5662
Dcp. Lc-eal: B-32.350-
995
Filmacirin ) ltocroinos reproducidos por Scan V2. S.A.. Arda. Carrilet. 237 08907 1 Hospitalet tBarcelonat
Imprime ROTOCAYFO. S.A. Ctra. de Caldes, kn 3-Santa Perptua de l\'fogoda (Barcclona)
Prited i Spri ltnprc!r cn E5par
TEN,IAS 6
Coherencia ptica
Mara Luisa Calvo Padilla
tiente
interferencial
como de espectroscopa por transformacin de Fourier, que permite obtener el espectro de potencia de una
fuente. Se dira que la luz encierra en
su estructura una suerte de cdigo del
que pueden extraerse importantes
datos acerca de su propia naturaleza
y la estructura de Ia materia.
Los fenmenos de interferencia y
difraccin fundamentan los principios
bsicos de Ia holografa y sus ramas
de espectroscopa
1a
lon-
trarnos luego en algunas de sus caractersticas a Ia hora de analizar el origen, propagacin e interaccin de los
campos de luz.
fl
U
polarizacin perpendicular
a la direccin de avance.
Pero hasta 1864 J. Clerk Maxwell
bilidad
sola ciencia.
ptico en el espacio libre, sin restricciones por Io que se reere a las dimensiones idealmente infinitas del medio
en ei que se propaga. Pero si este medio tiene unas dimensiones y una geo-
describen la propagacin, y en las cuaIes la velocidad de las ondas propagadas en el ter se calcula sucesiva-
1a
ar-rtelior, des-
1. MOTEADO LASER. Cuando observamos un fenmeno de difraccin producido por la interaccin de un haz leer de helio-nen con una diapositiva, provocamos un moteado lser.
Este fenmeno, el granulado que cubre todo el fondo de la
figura, ee debe a la interaccin mltiple del haz altamente co-
L. CrsNrcre DELALUa
la electricidad, el magnetismo y la
Iibres o monopolos.
herente con las microdeformaciones de la superfieie de la diapositiva, Ha ocurrido, en efecto, un fenmeno de dispersin
mltiple aleatoria, esto es, un proceso estadstico originado
por las condiciones de coherencia espacio-temporal de la fuente as como de la estructura del objeto.
4'7
braciones mecnicas. El movimiento de toda la estructura, esto es, la suma de armnicos a distintas frecuencias. destruye
las condiciones de coherencia. AI cesar las oscilaciones espu-
po y en e1 espacio. Su correspondiente
.18
cin exponencial.
de
magnitudes escalares independientes que pueden ser medidas fsicamente, ya que son proporcionales a Ia
Si volvemos a la representacin
Tprraas 6
'
Ct upongamos un segundo
LJ
de1
cuad ro. De
al comportamiento sncrono, y es la
fuente lser. Diremos de ella que posee un grado de coherencia mximo.
Aunque su monocromaticidad tampoco es perfecta, sus tomos emiten en
una banda de frecuencias espectrales
muy estrecha; la anchura media de su
espectro es casi inapreciable, por Io
que su monocromaticidad tambin es
mxima. Vemos, pues, que un mtodo
de cuantificar Ia fase se basa en la
medida del grado de coherencia de 1as
[ll
I:l
comportamiento matemtico de
gaussiana por ejemplo. La representacin de una magnitud en el plano complejo nos lleva a hablar del fasor, que
describe, en cada instante, el punto del
espacio donde se encuentra la pertur-
cia de fases.
,t
,=*ret=
tt
i-:{!ti:-F
Le CINcn DELALUZ
49
50
Teus
coherencia mutua es la traza (o diagonal) de esta matriz. As, en experimentos que conllevan correlacin de
es,
tralmente impuros.
T\esde e'l punto de r ist d nrdtenraIrl tico. la iuncion que lop: p:enra ja
correlacin entre dos canlpos cr,rmple
unas propiedades particulares. si hal
e1
composicin es-
tes que, al superponerse, dan lugar a las interferencias, Si ahora vamos abriendo progresivamente la rendija se observa en
es nula (no hay fraqjas), pues habremos llegado a una anchura tal, que la fuente ha perdido su grado de coherencia espacial. Cuanto ms puntual sea la fuente, mayor ser la visibilidad de las franjas de interferencia que se producen. El nico
cero de visibilidad corresponde a la ltima observacin. Al ser
la fuente cuasimonocromtica no se obtienen mnimos intermedios de visibilidad cero. En este experimento, y en el de la
figura 5, nos ha ayudado Alberto Varela Vargas.
L,q CrNcr,q p
le
Luz
51
instantes.
llaron
e1
interfermetro estelar
de
segundos de arco.
Desde el punto de vista del fenmeno
de la correlacin entre campos pticos,
este experimento puso de manifiesto
la posibilidad de alcanzar correlaciones de orden superior. La correlacin
entre intensidades origina una estadstica entre campos de orden superior a dos.
La correlacin clsica de segundo
temporales. Si la correlacin es de
52
Se
La descripcin clsica de ia
cohe-
lr.
i:.r-tt -rmen-
ia
1uz 1- descomponerla en
un gran
Tpn,q.s 6
fn
l-
el grfico inferior, simbolizamos con V(d) la variacin de Ia visibiy con d, la anchura de la rendija. Los valores ilustrados co-
tOaA
rresponden al experimento de la figura 5. De forma aproximada, suponiendo monocromaticidad mxima, esta funcin se puede ajustar a la
expresin:
k=2xrlL,
siendo'.
rkry
I k,
v(d\ =lsen
posicin:
d(x.
x"\
siendo x,-x, la distancia entre las dos fuentes virtuales producidas por
el biprisma; z, la distancia desde la fuente al plano de observacin; r,
una coordenada de posicin reducida, y k, el mdulo del vector de
onda. Spase, pues, que el producto kr es adimensional. Un grado de
coherencia espacial que tiene la dependencia en r observada obedece
las leyes de escala (factor de escala).
Cmo establecer
un principio
de
inferior
Ejemplos de fuentes que satisfacen esta ley son las fuentes planas, las
secundarias (ste es el caso del experimento), las cuasi-homogneas.
un Iratamiento semiclsico de la
radiacin: la entlopa de una fuente
luminosa trmica est basada en 1os
principios de la mecnica cuntica
estadstica, mientras que e1 campo
emitido sigue recibiendo una interpretacin c1sica. Llna descripcin
cuntica abordara la fuente - el
campo desde Ia perspectiva del comportamiento aisiado de cada tomo
emisor y cada fotn radiactivo.
De 1a simbiosis entre 1a ptica clsica ,1a fsica
L.q Clnr.rcr.A on
l.r
T.uz
pl
Jjl
BI}]LIOGRAFIA COMPLEMENT'ARIA
Tuony oF PARTTAL CoHEnNlcr. Mark J.
Beran y George B. ParrentJr., Society of
Photo-Optical lnstrumentation Engineers, Prentice Hal1, Inc., 1974,
Tu INreNsrry
INTERFERoMETEn.
R. Hand-
York, 1991.
53
-E: atcnicadelaholografa,ofoto- grafia es un proceso relativamente son ms caras que 1as normales, sino
$ grafa por reconstruccin de directo. La|tz coherente emitida por tambin ms incmodas de manejar.
. -# frentes de onda, fue inventada un lser se divide en dos haces. Uno Cualquier reduccrn de1 requisito de
en 1,947 por Dennis Gabor como una se usa para iluminar un objeto; la coherencia a 1a hora de 1a reproducposible forma de mejorar el poder de parte del rayo que ste refleja incide cin tendr'a mucha importancia para
resolucin del microscopio electr- sobre una placa fotogrfica. Ei otro la holografa de erhrbicin.
nico, si bien no suscit atencin hasta haz se dirige directamente a la placa
Cul es la diferencia entre 1a 1uz
Ios aos setenta. Por aquella poca por medio de un espejo. La luz proce- coherente - la incoherentel) Hay dos
Juris Upatnieks y el autor introduje- dente del espejo, llamada rayo de tipos de coherencia. temporal )'esparon una serie de innovaciones que referencia, secombinaenlaplacacon cial, 1'se dice que ia -uz es coherente
hicieron posible extender el principio la luz reflejada por el objeto para for- cuando posee ambos La luz tempode Gabor ms all de sus aplicaciones mar una imagen compleja de interfe- raimente coherente es la 1uz monoiniciales. Por ejemplo. el uso del m- rencia. La placa revelada que contiene cromtica. que si,,c tlene una longitud
todo del haz de referencia fuera del eje esta inagen es el hologran-ra, Cuando de onda. La luz espacraimente cohepermiti obtener imgenes hologrfi- se ilumina un hologran.ia de este tipo rente es 1a que nrr,cede de una fuente
cas de mejor calidad. Aprovechando con s1o el ra1'o de leferencra.los ra'os puntual o puerie lc,calizarse en un
que 1a 1uz del 1ser es intensa )'mu]' de luz que atravresan la placa son punto. La fuente mas usual de luz
coherente pudimos obtener por pri- transmitidos o absolbidos selectir-a- c,lherente es e. lser. ero tambin
mera vez imgenes hologrficas de mente de manera que cleen en el haz puede obtenerse a partrr de fuentes
gran verismo de varios tipos de obje- emergente una componente que incoherentes. como haba que hacer
tos reflectantes tridimensionales. El reproduce 1as ondas luminosas origi- antes de 1a rnvencrn de este. La cohedesarrollo posterior de la holografa nales reflejadas por el objeto cuando rencia espacial puede conseguirse, por
ha estado muy ligado al del lser, por se form el holograma. Un observador ejemplo, situando una abertura muy
cuanto Ia demanda de mayores y que vea estas ondas las percibir como pequea delante de la fuente. de modo
mejores hologramas de escenas ms si emanasen del objeto original y, por que Ia 1uz proceda toda de ese punto.
amplias y abundosas ha tendido a tanto, "ver" el objeto como si estu- Paralogarlacoherenciatemporalhay
incrementarlanecesidaddecoheren- viera realmente presente (uase la que coiocar un filtro de color ante la
fuente, de forma que s1o se transmita
cia de las fuentes de luz empleadas. fgurct 6').
la luz de una banda espectrai estreEl deseo paralelo de hacer ia holografa ms prctica, y por tanto ms f a exigencia de coherencia deriva cha. Ambos procesos imphcan maiuniversal, indujo a ia bsqueda de I-l de que el holograma es una gra- gastarlamayorpartedelaluzinicial;
mtodos que redujeran 1as exigencias bacin de la interferencia de dos ondas de ah que se necesite una fuente de
de coherencia del proceso. Pronto y en general, pero no siempre, la luz luz incoherente extremadamente
hubo hologramas que podan obser- coherenteproduceimgenesdeinter- intensa para obtener una pequea
varse con luces incoherentes como la ferenciaylaincoherenteno. Estacir- cantidad de luz coherente. La Imsolar o la luz blanca de una lmpara cunstancia dificult mucho el desa- para de arco de r-apor de mercurio
de incandescencia corriente, y no slo rrollo de Ia holografa, sobre todo en constitua una de las mejores fuentes
-
;";;
hologramas.
La form ms conocida de holo54
transmitidaporelcondensadordeunmicroscopio.Lostrescoloresdiferentessedeque
(o
Trr'res 6
[-
L,c. CrNcr,A.
DELALUz
55
56
Teues 6
de
't
;i
i'
-iln",
nrt'
3.
Le
Cm,Ncr. DE LA
Luz
se
de de banda estrecha y se cubri el resto del holograma. La segunda toma, hecha con ayuda del mismo foco de luz blanca de
57
ti
L{
{
;1
PRIMER PIANO DEL HOLOGRAMAENARCO IRJS de la fotografa superior de esta misma pgina, obtenido con la misma
fuente de luz blanca de filamento de tungsteno, pero en este caso desde una distancia de unos 30 centmetros; el color tiene
5.
una apariencia uniforme en toda la imagen. Si se desplazara lateralmente la posicin de mira, el color cambiara, pero seguira siendo uniforme. La escena representada en los hologtamas
de esta pgina y de la anterior tiene 50 cm de ancho.
58
Tprr'tes 6
PLACA
FOTOG RAFICA
J ETO
HAZ DE
REFERENCIA
ESPEJO
DEL LASER
IMAGEN
VIRTUAL
es
HOLOGRANlA
se
valentes.
La etapa de reconstruccin. o de
contemplacin, hologrfica viene a ser
esencialmente una reproduccin de 1a
gen. La razn del tamao del diagrama de difraccin al tamao del ele-
razn de expansin.
La necesidad de monocromaticidad
a la hora de la contemplacin se debe
a que la curvatura del frente de onda,
es
59
de coherencia
el
grafiarse.
f
L/
de
se
PLACA FOTOGRAFICA
Nrtc1|s
fi
.F-rN
It
{,
a
BOH
fi
ffi
F:
,..
i
.#;
60
las lneas oscuras que formatran las letras, cada uno de los elementos de resolucin (o puntos resolutivos ms pequeos) difractaba o dispersatra una parte de la luz transmitida en forma de
frente de onda esfrico. La interferencia de los frentes de onda difundidos por cada elemento de resolucin con los no difundidos
del haz de referencia creaban en la placa fotogrfica una mancha
TEN,r-{s 6
ucLse
la figura 1 1).
se aplica ei
Al crear ei holograma
1os
haces de
tiene que ser proporcional a la longitud de onda. Por tanto, si las franjas
estn alineadas en un lugar donde los
rayos se superpongan, se irn desalineando progresivamente a medida que
se alejen de l; el resultado es la formacin de un nmero inadecuado de
e1
proceso de for-
dbamos cuenta de una red como sta, que en efecto compensaba las longitudes de onda, aunque fuera sin un
propsito especfico y aunque la simplicidad del objeto hiciera tal compen-
lateral,
IMAGEN BECO\STRU DA
HOLOGRAMA
OBSERVADOR
-=>
La CrsNcra DELALUZ
61
identificarse
1a
holografa excntrica
blanca.
La compensacin de Ia placa de
zonas tiene, por supuesto, una limitacin importante. La dispersin longitudinal se corrige s1o para un punto
JE
PLACA
FOTOG RAFICA
ffi
u&&
iI
I
I
r
{I
It
l
IMAGENES DESP
LANNENTO
'72-\\\\
z/ZZ=N\\\\
il//t\\\\\rrr
lll-t!:!-ll l
9. UNA FUENTE EXTENSA DE LUZ se comporta como un
conjunto de fuenes puntuales, cada una de las cuales iluminase un objeto puntual deede una direccin ligeramente
distinta. Las imgenes se proyectan en direcciones distin62
tas y resultan desplazadas en el holograma. Una fuente espacialmente incoherente, o extensa, produce una imagen borrosa, en la que las franjas de interferencia ms finas desaparecen primero.
Trves
IIVIAG EN ES
DESPLAZADAS
se
HOLOGRAIVIA
a-_------: )'.----
i. '
-t,
i
t--gilfi
I
,ffiffi
.-ir
dispersin.
HOLOGRAMA
SENCILLA
-4
DE
se
RED
DIFRACCION
L,c
PLACA DE
ZONAS DE
FR ESN EL
HOLOGRAMA
DEL PUNTO
63
REFLECTOR
DE MERCURIO
ffi
ffi
v
E\ULSION
EM U LS ION
13. EL PROCESO DE LIPPMANN para fotografiar en color produce franjas de interferencia en una emulsin fotogrfica
gyuesa haciendo que la luz incidente se refleje por medio de
un bao de mercurio situado detrs de la emulsin (dagrama
d,e la izquierd,o). Los depsitos de plata que se forman en los
64
e1
frente
E\/E LA DA
habitual.
El investigador ruso Yu, \, Denisyuk public por la misma poca otro
descubrimiento importante. que combina el proceso hologrfico con un tipo
1os
mismos rayos.
TEN,TAS 6
OBJETO
IMAGEN
VIRTUAL
rencia producida entre Ios haces incidente y reflejado (izquierd,a). Para contemplarlo se le ilumina con luz tlanca.
El proceso de refuerzo favorece a la luz de una nica longi.
tud de onda y forma una imagen tridimensional del objeto
(derecha).
es,
de
[ll
I-l
L.q Crcr-c e
t- Luz
65
PLACA
FOTOGRAFICA
ETO
DEL LASER
lo color.
1a
imagen completa,
PLACA
FOTOGRAFICA (B)
HOLOGRAMA (A)
SEGUN DO
HOLOGRAMA
-fu'#TT*''.,^
VIRTUAL
66
se
se
CreNcre DELALU?
se
paralaje vertical.
Bases moleculares
Origen bacteriano
Marzo 1996
de la lcera de estmago,
de Martin J. Blaser
Abril
1996
lndicadores internos
del riesgo de cncer,
de Frederica P. Perera
Julio 1996
Bases neurolgicas de
la adiccin a la cocana,
de Luigi Pulvirenti
y George F. Koob
Julio 1996
Radiacin solar y cncer de piel,
de David J. Leffell
y Douglas E. Brash
Agosto 1996
contra el cncer,
de K. C. Nicolaou, Rodney
K. Guy y Pierre Potier
Septiembre 1996
Holocnrpuv: WIrg N
To rHE OPTICS on
INTRoDUCTToN
INTER-
DrpucttoN.
Arthur Klein.
19'70,
6'7
Optica adaptativa
John W. Hardy
ft'a
de
La construccin de
telescopios
6rl
estabilizar
e1
movimiento
de
la
imagen con una piaca lisa de inclinacin r.ariable en uno de los espectrgrafos del telescopio Hale de 5 metros.
Robert B. Leighton describi el uso de
un espejo de cabeceo y pstn(tip-tilt),
los planetas.
Sin embargo, la correccin total de
realimentacin clsica- se
-una
repite cientos de veces por segundo.
Cuando la ptica adaptativa funciona
correctamente, todos 1os componentes
han de llegar a1 pr-rnto focal en fase,
creando una imagen ntida.
Los ingenieros de radar se haban
adelantado ya en la descomposicin
de un frente de onda en partes para
luego devolverlas a Ia fase correcta.
de
TEN,TAS 6
matismo (curvatura esfrica y cilndrica), harto conocidas para los que trabajan en ptica. Adems,la intensidad
Re-
1o
que posi-
bilita
prueba la idea.
69
L) tros
de desplazamiento de fase
1a
ptica adaptativa
de
2.
70
TBIres 6
clculo en serie presentaba problemas. Volvimos a la tecnologa analgica. Construimos una red elctrica
sencilla dispuesta de ia misma forma
que los actuadores detrs del espejo
deformable. Se aplicaron a los nodos
de la red corrientes elctricas que representaban los valores del frente de
onda medido, lo que produjo los voltajes exactos necesarios para ajustar los
la mejora de nitidez.
A partir de estos primeros esfuerzos se han construido nuevos tipos de
mentados; constan de numerosas placas lisas, cada una montada sobre tres
actuadores piezoelctricos de capa
mltiple. Los espejos segmentados
As opera la ptica
adaptativa
11,
atmosfrico en tiempo real, en diciembre de 1973, creca nuestra preocupacin por la estabiiidad del instrumento mientras operase. Cada uno de los
21 actuadores estaba provisto de su
bucle de realimentacin, pero se produca un acoplamiento cruzado entre
los bucles a travs del espejo deformable. En otras palabras, la correccin del frente de onda en una zona
ejerca un ligero efecto en las dems.
Nuestros clcuios demostraban que el
nuevo sistema deba ser estable, pero
siempre exista 1a posibilidad de que
surgiera un problema imprevisto. Nos
preocupaba que el CATR empezara a
oscilar, porque ello podra arruinar el
espejo piezoelctrico monoltico que
habamos diseado. Durante las primera pruebas, comprobamos que el
tados fueron admirables, especialmente para las estrellas dobles. La estrella ms brillante del par, con la que
L,c CrNcre
oatLuz
Se
TELESCOPIO
ASTRONOMICO
CORRECCION
DEL
DE LA IMAGEN
DIVISOR
DE HAZ
FRENTE DE ONDA
CORREGIDO
IMAGEN
CONDENSADA
ESPEJO
DEFORMABLE
\\\
'Bofs'#.o*
. "S'i,$ff'
re
@
Erc'ffi
re.-% reffi
W
rc-ffi
re ffiffi W
EL HUBBLE
SIN COMPENSAR
EL HUBBLE
COMPENSADO
ESTRELLA 4968
SIN COMPENSAR
ESTRELLA 4968
COMPENSADA
'71
los actuadores.
Para las longitudes de onda del in-
su adopcin generalizada en el
un rea ma)-or.
1a
turbulencia vara
otras aberraciones.
72
el
Tsuas 6
-el
sensor Shack-Hartmann- porque
puede trabajar con fuentes de luz continuas y pulsantes. El primero en utilizarlo fue Roland V. Shack, en 1971.
//li\
/III\
nor r=
LASER
de Tecnologa de Jlassachusetts
(MIT) y del laboratorio Phillips de las
Fuerzas Areas de EE.UU. encontraron un mtodo mucho ms potente
adaptativa. En 1982 los de1 MIT corrigieron Ia distorsin de un lser emitido hacia el espacio con Llna versin
del SIC que tena 69 actuadores
"experimento de compensacin-el
atmosfrica (ECA)". Uno de 1os experimentos realizados en el transbordador espacial Discovery consisti en
que ste llevara un retrorreflector que
reflejaba un haz de lser de vuelta a
Ia Tierra, donde se meda con 1 la distorsin atmosfrica. En pruebas posteriores, los retrorreflectores, insta-
Al introducir su informacin en un
espejo deformable, se logr "predistorsionar" un segundo lser de manera que atravesara la atmsfera y se
enfocara en un pequeo objetivo situado en el cohete. Desde entonces,
los instrumentos de ptica adaptativa
Le CrENcre e l,r Luz
//liF=_ nnces
DE LUZ
MULTIPLES
tareas astronmicas.
Los lseres crean en la estratosfera
p
IL
tativas de longitudes de onda cortas"). Entre 1988 y 1990, en eI observatorio ptico del monte Haleakala,
se generaron con rayos lser de color
pulsantes
-su longitud de onda era
de 0,51,2 micras- balizas artificiales
Se
donde
la turbulencia atmosfrica
difiere bastante.
Se discute el empleo
de espejos deformables mltiples en
conjuncin con una serie de estrellas
de guiado lser. Cada espejo actuara,
al compensar la turbulencia a lo largo
de un intervalo de altitudes en la
atmsfera, como un corrector tridimensional. Con las estrellas de guiado
podran realizarse muchas medidas
del frente de onda, que abarcaran un
dejulio, 1990.
t3
Espejos lquidos
Ermanno F. Borra
para ver ms lejos que nunca gracias a los espejos de mercurio lquido
muy ligeros, cttyo tamao podra superar, en mucho, el de los espejos de cristal
de un lquido reflectante
por ejemplo- en rotacin-mercurio,
forme una
lot,
1os ra1.'os
se
ron todo
f,l)
la
detector DC.\ compenso la rotacion de la Tierra Ilevando electrnicamente sus sensores de luz de
este a oeste, a una velocidad igual a
1a de
que
focal, constante.
En el transcurso de nuestros primeros trabajos con un espejo de mercurio de 1,5 metros de dimetro, Sta1.
15
naturaleza ondulada
de
la luz impone
tal, ya que esta operacin infravaloondas de luz reflejadas por el espejo rara las aberracrones debidas a la
se superponen y eliminan o refierzan, turbulencia del aire . a las vibraciotal y como las ondas de la superficie nes. Durante esta etapa de pruebas.
de un estanque generan diseos com- la cuidadosa preparacin rindi sus
plejos; aparece entonces un punto de frutos. La interfeometra demostr
luz, un disco rodeado de anillos som- que la superficre parablca de un
breados que corresponden al juego espejo lquido bien afinado se manconstructivo o destructivo de la luz tiene precisa en 1 30. por 1o menos. de
reflejada. Como consecuencia, la niti- la longitud de una onda de luz. 1o que
dez de una imagen no se basa tanto anda cerca de 1a precisin especifien la calidad del espejo cuanto en su cada para el Tele,.copio Espacral
dimetro: a mayor anchura del espejo,
ms ntida la imagen. Al principio nos
costaba creer que
1o
visto en la pan-
talla era el patrn de difraccin caracterstico del espejo. Pero tras mucho
discutir, calcular y experimentar,
aceptamos la probabilidad de que
nuestro espejo fuese casi perfecto.
La confirmacin de esta conclusin
requera la realtzacin de pruebas
an ms rigurosas. Robert Content
estudi concienzudamente ei espejo
de 1,5 metros con un interfermetro
de lmina de difusin. Este instrumento delinea el contorno de las
superficies con una precisin extra-
EJE
DE ROTACION
4
Hubble,
Pese a que las pruebas conducidas
en
dos aos resultados mucho n-rejores de
'Jo
uno de 1.2 metros. Del funcronamiento de1 obserr-atorio se encargaron estudiantes: durante 63 noches
despejadas rastrearon destellos estelares que estaban por confirmar, captados en otros lugares. Por detector se
ACELERACON
..- ..CENTRIFUGA
I
1
GRAVEDAD
[,4ERCURIO LIOUIDO
lastreos astronmicos.
E stos instlumentos deberar-r benefic'iar a los cosmlogos. Ellos trazan e1
mapa del unir-elso ]'tlenen que obserobjetos ertremadamente tenues;
necesrtan. pol' tanto. observar durante largo tiempo con telescopios de
gran dimetro, pero, dado su elevado
coste, nadie puede acceder a ellos a
ttu1o individual. Hay tal demanda de
tiempo de observacin en telescopios
de cierto tamao. que ni siquiera un
equipo reunido en rgimen de cooperacin conseguir ms de una docena
tal
1os
costosos apa-
DE POLIURETANO
2. SUPERI'ICIE DE UN LIQUIDO EN ROTACION. Adopta una forma parablica bajo la constante atraccin de la gravedad y una aceleracin centrfuga que crece con
la distancia al eje central. La curva parablica se produce porque una superficie lquida tiene que ser perpendicular a la aceleracin neta que experimenta; en este
caso, se .va inclinando cada vez ms conforme crece la distancia al eje.
76
telescopio de espejo lquido de 2,7 metros para realizar rastreos espectroscpicos. El dispositivo utiliza un detector DCA y filtros de interferencia.
Andrew E. Potter, Jr. y Terry Byers
TE,IAS 6
t
dades: elevada calidad de superficie, baja dispersin, aperturas muy rpidas y un enfoque
variable que se controla con
construccin de un espejo
1-
1uz.
L)
de
metrosl iluminados de nuevo. generan imagene. que sir'ven de gua para que al pulir los
espejos de cristal se consrgan
parbolas perfectas.
Me mova en un principio Ia
a 30
grados, se
3. LOS ESPEJOS LIQUIDOS aportan superficies pticas extraordinarias. El interferogtama (arriba) corresponde a un espejo lquido de 2,5 metros de dimetro. EI anlisis por ordenador ofrece una versin
en falso color que muestra el contorno de la superficie del espejo (centro). Los rastros de estrellas
(obajo) se obtuvieron mediante un espejo lquido de
1,2 metros y una cmara fotogrfica, en 1987.
se
mueve sobre un marco de referencia
metropodemosllegarrealmente?S1o giratorio, como la Tierra. Hickson y
lo sabremos si intentamos construir Brad K. Gibson, por un lado, y yo, por
espejos cada\rez ms anchos. La rela- otro, hemos calculado que ste no
tiva facilidad con que preparamos el seraunproblemagrave.Detodasforde
30 metros incluso. Hasta qu di-
de dimetros gigantescos, de ms
*,ffi
1,,1
pesase
mejo-
espejo de 2,7 metros y lo econmico mas, nuestras primeras observacio- dad de los telescopios provistos de
CrNcr,r
o l.r Luz
77
Se
trata
de
ensancha
chardson
y Christopher L.
Morbe
trola el motor. Sobre el recipiente base se f ragua una parbola slida hecha de una resina de poliuretano. Una vez
endurecida, se vierte el mercurio lquido en el cuenco. La
sencillez del diseo de los espejos lquidos los hace asequibles y fciles de construir. En el rudimentario observato-
RECIPIENTE
AL ]'"4ENTADOB
DE CORRIENTE ALTERNA
COJINETE NEUI'/ATICO
CORREA
[/oToR
COIVPRESOR
78
BEGULAqOR
I/ONTURA DE TBES
SINCRONICO
PATAS
Tnus
blica lquida.
pocas
ra,
correctores optimizados.
tal
combustible.
de
es fcil
THr C.qsE non Lrquro Mlnnons rN ORBITIN-G TELEsCopEs. E. F. Borra en Ast rop h,s icctl J ournal, yol, 392, nmero l,
pginas 375-383; 10 de junio de 1992.
Lrquro Mrnnons: Oprrcel Suop Trsrs
eo CoNrnrsurroNs ro rHe TEcuNo-
locy.
S, Szapiel,
L. M. Boily enAstrophl'sical
79
-una
especie de "embudos" de
luz-
mos a concentrar la hz
cuando ramos nios. Las
fsica
lmite
So1.
TElrAs 6
las partculas lambda para comprobar el modelo de Cabbibo-KobayashiMasakawa. Nuestro trabajo consista
en detectar estas desintegraciones
raras con electrn en el seno de los
procesos dominantes con pion.
Nos propusimos detectar los electrones producidos en dicha desinte-
.:
-:a{}.:i
.,
..-ii'*c.*"*
,.r"i
L,+ Clpxcr.r DE LA
Luz
81
1a
posibilidad
A
A
2. METODO DE LOS RAYOS MARGINALES, una de las dos tcnicas empleadas pa-
deslizar un trozo de cuerda (lneo ozul) a 1o largo de una barra llnea roja\,El diagrama muestra a la cuerda en varias etapas del proceso de deslizamiento. La cuerda se mantiene siempre tensa en direccin paralela a Ios ray'os de luz incidente, doblndose luego bruscamente para ir a buscar el orificio de salida \punto A), de modo
que su longitud total permanezca inalterada. Los puntos en los que se dobla la cuerda definen la pared del concentrador.
dems de resolver nuestro probl".nu, haba yo contribuido a descubrir el campo de Ia ptica sin imgenes, aunque en aquel entonces no
era consciente de ello. Pocos avances
los investigadores que han contri3. CONCENTRA,DOR PARA,BOLICO COMPUESTO, basado en el mtodo de los rayos marginales, que concentra la energa solar en los tubos absorbentes. El que uno
de ellos aparezca negyo indica que ha absorbido todos los rayos del campo angular
del concentrador. Esta configuracin permite la mxima absorcin de los rayos solares sin recurrir a un costoso equipo de seguimiento y sirvi de base a diversos
concentradores solares comercializados a principios de los aos ochenta. Con la superacin de la crisis petrolfera, g?an parte de la investigacin se traslad a alapn.
82
TEMAS 6
Tll
L a,
oculta al ojo.
Este efecto es mucho ms que una
simple ilusin ptica. El cono refleja
La proliferacin de dispositivos
pticos sin imgenes obedece al deseo
de disear concentradores solares que
pasan
ahora a travs del agujero y la luz se
Ia construccin de concentradores
la superficie de la naranja
concentra.
Lo que interesa en la mayora de
las aplicaciones prcticas es concentrar la luz sobre una superficie plana
y no esfrica. La solucin es mucho
ms complicada en este caso que en el
LA CIENCIA
DE LA
LUz
energa generada.
f
L/
rrollo
cle
llares-Pereira y Keith A. Snail demostr que se podan disear concentradores sin imgenes capaces de enfocar bien los rayos solares durante casi
todo el da sin necesidad de ningn
movimiento, concentradores que
podan acoplarse a cualquier geome-
triarazonable.
Posteriormente, trabaj ando con dis-
83
<-
RAYOS SOLARES
----------t
ESPEJO DEL TELESCOPIO
\r+--*|ffi]
-=>fcalonnrerno
I
I
\"". -
.-."
".:--**#
\d+;ary
[.\:=--=\_ll
CALENTADOR ELECTRICO
5. PARA MEDIR GRANDES INTENSIDADES de rayos solares se hace que la luz atraviese un concentrador de zafiro
situado en un termo lleno de lquido, es decir un calorme-
tro.
intensidad
Y-
--_>
. e1
r-a1or del
se debe a que
desr'an ms los
I
l-
TIERRA
LIMITE TERMODINAMICO
tt4
Tpir,trs 6
____=->'
.----.-.-.->
ESPEJo
HAZ DE LASER
ESPEJO
se
mos, producindose una emisin de luz a una o varias frecuencias. La luz emitida se refleja una y otra vez en sendos
espejos, a travs de uno de los cuales sale el haz de lser hacia el exterior.
factores.
el
--t
o
ESPEJO
PARABOLICO
FORMACION
DE IMAGENES CONVENCIONAL
ade-
de
140.000. El valor de la concentracin
alcanzada en la prctica fue de
84.000, superando Ia intensidad de la
Universidad de Chicago.
Entre las posibles aplicaciones de
los rayos solares muy intensos se halla
ii i ii
i-i(
ii,,
i'i \!:
: :,.
1.
r.1, :
iii
ir
: \';' :\ili ji
85
Giroscopios pticos
Dana Z. Anderson
dispositivos es
e1
giroscopio de lser
guido por
temas de guia. Hay aviones comerciales, como los Boeing de las series
757/767 y cierto nmero de Airbus
A3 10, que emplean giroscopios de
Iser anular en Yez de los de tipo
mecnico. Aunque la sensibilidad de
Ios nuevos instrumentos es extraordinaria, el uso creciente de giroscopios pticos en Ia navegacin no responde a una necesidad de mejorar la
precisin, puesto que los mecnicos
tambin son precisos, sino a la carencia de partes mviles, que los diferencia de stos y los hace ms sencillos. Aunque los dispositivos pticos
reales tambin tengan alguna parte
mvil, son ms fciles de mantener y
resultan ms baratos que sus contrincantes mecnicos.
Para comprender cmo se aprovecha Ia hz para medir una rotacin.
consideremos a un observador fijo
situado dentro de un anillo circular.
Supongamos que el observador emita
un destello luminoso de tal manela
que una mitad recorra el anillo en un
sentido y la otra mitad en el opuesto.
Si ei anillo no gira, es evidente que
ambas mitades deben volver a1 observador simultneamente. Pero si grla.
por ejemplo en sentido contrarlo al dei
movimiento de las agujas de1 re1oj. el
punto origen del pulso se mover
hacia el destello que r-iaja en sentido
horario y se alejar de1 que viaja en
sentido antihorario. Por tanto el observador encontrar antes el destello
que se mueve en sentido horario que
el que 1o hace en sentido opuesto. La
1oj.
e1
-] rspEo
"l
.l
Jo*ooo
CANAL
CUA.
DRADO
ENVOL.
TURA
DEPOSITO DE GAS
Tnmes
Io estudiaremos en primer
lugar, a pesar de que su desarrollo
1o que
Le Crpxcr.c
DE r-A
Luz
87
salir
se
lan mutuamente.
El comportamiento es distinto
los prrncipios bsicos de1 lser. Siguieron poco despus los primeros
trabajos sobre e1 giroscopio de lser
anular. Clifford V. Heer pronto se dio
cuenta de que poda emplearse una
cavidad resonante para medir velocidades de rotacin. Una cavidad resonante es un recinto hueco que sirve
para reforzar ondas sonoras o bien
ondas electromagnticas. En realidad
cualquier lser constituye una cavidad resonante. Consta, a grandes rasgos, de un tubo largo y recto que est
GIRO
Heer comprob que. si a una cavidad resonante se 1e da forma de aniI'lo. puede construirse un giroscopio
ptico, en el que Ia luz circula muchas
veces a Io largo de la misma trayec-
tiempo que necesita la luz para recoruer una trayectoria circular depende de que
la trayectoria sea estacionaria o est girando. Supongamos que un hipottico observador situado en un anillo estacionario emita un destello luminoso y que dos mitades del mismo se propaguen a lo largo del anillo en sentidos opuestos (rri). El
observador recibir simultneamente los dos pulsos. Sin embargo, si el anillo gira,
el observador se mueve hacia uno de los destellos y en sentido opuesto al otro, por
lo que recibir en instantes distintos los dos pulsos (parfe inferior). La ferencia
de iempos es proporcional a la velocidad de giro del anillo.
88
dos
espejos. Tanto Heer como Adolph H. Ro-
TEues 6
3. CON EL GIROSCOPIO DE FIBRA podemos medir una velocidad de rotacin detectando la interferencia entre dos rayos
de luz que se propaguen en sentidos opuestos por una larga
fibra ptica bobinada. Los dos haces se obtienen desdoblando un rayo lser mediante un espejo semitransparente. Tras
recorrer la fibra, los dos rayos se recombinan en el espejo.
Cuando el aparato no gira, los haces se interfieren destructi'
vamente y no aparece luz a la salida Qtantalla oscura d'e arri-
CreNcre
osrLuz
o). Cuando todo el aparato (el lser, el espejo semitransparente, el carrete de fibra y la pantalla) gira, los dos haces ya
no se anulan exactamente y se forma una mancha luminosa
sotrre la pantalla (abajo); el brillo de la mancha aumenta con
la velocidad de rotacin. La velocidad de rotacin del aparato, y por tanto la del vehculo en el que est montado' se de'
duce analizando la intensidad de la mancha. Los giroscopios
de fibra se encuentran en fase de desarrollo.
89
vibrante
(puntos de mxima oscilacin). La londe onda de la luz es extremadamente pequea: unos 0,6 micrometros
(un micrometro es una millonsima
de metro), por lo que en todo el anillo
cabe un gran nmero de nodos y antinodos. Por ejemplo, la onda de un anillo que tenga 30 centmetros de permetro presenta del orden de un milln
de nodos y antinodos.
gitud
Supongamos que el
anillo gira,
manece fija en un sistema de referencia inercial, que no gira. La consecuencia es que el giroscopio de lser
anular manifiesta el efecto Sagnac.
Un observador que girase con el anillo vera pasar los nodos y antinodos
de
de
causa del sum rnitro de ener'gra necesario para producir la onda estacio-
se
J o. fabricantes de giroscopios de
IJ iser anular reducen al minimo
este problema diseando anillos con
dos flu.1os gaseosos contrapuestos. Por
gaseoso inducido.
La cancelacin
mutua no es completa pero, si la deriva residual es estable, puede medirse - ser compensada, quedando
s1o como causa de error de deriva los
cambros imprer.istos.
ONDA DISPERSADA
HACIA ATRAS
de
90
den comprenderse imaginando que los espejos fuesen perfectos y que se hubiese colocado una delgada lmina de
a la
lalu.z (d,erecha). La onda estacionaria tiende a presentar un nodo ("valle", o punto estacionario) en el lugar ocupado por la lmina de vidrio. Puesto que sta se encuentra fijada al anillo, la
onda estacionaria tiende a girar con el anillo. Esto ocurre cuan.
do las velocidades de rotacin son pequeas. El efecto puede
reducirse haciendo oscilar el anillo a un ritmo elevado mediante
un vibrador; el movimiento "desprende,, la onda estacionaria.
Tnues 6
mento reside en un fenmeno denominado anclaje de frecuencia. Se produce porque la onda estacionaria se
inmoviliza dentro del anillo, de modo
que un observador fijo no pueda decir
si gira o no. El anclaje de frecuencia,
cuyos efectos slo se presentan si la
velocidad de rotacin es relativamente pequea, desempea un PaPel
anIogo al del rozamiento en un giroscopio mecnico. La onda luminosa
estacionaria puede considerarse como
se
Aunque funciona segrin el mismo principio que un giroscopio dejuguete, resulta mucho ms complejo. Sus aplicaciones a la navegacin
estn dejando paso al giroscopio ptico.
5. GIROSCOPIO MECANICO.
conseguir hacerlo.
que
T Tna analoga val ida del anclaje de una ligerapendiente. Labola se move- cidad de rotacin, la perturbacin
LJ frecr"t-,.ia la constitu e una bola ra u poo hacia abajo, pero a la las irregularidades ocasionan en el
sumergida en un lquido viscoso. como siguienteondulacinencontrarauna movimiento de la bola es cada vez
sera un almbar, que descienda Por ligera subida que no podra remontar menos importante.
una pendiente onduiada. La fuerza de y quedara atrapada. Esto corresanclaje de frecuencia a bajas
la gravedad representa en este caso po"u aI anclaje de frecuencia, es II
la rotacin del anillo. Una ladera con eeir, nos encontramos en una situa- -U,.1 velocidades de rotacin ha entor-
tidad
L Crxcrl
oE
Ll Luz
91
Los problemas de deriva y de anclaje de frecuencia son de ndole tcnica y en principio pueden eliminarse
de raiz. Hay otras causas ms profundas que afectan a la sensibilidad
del instrumento en ltimo trmino:
los dictados de la mecnica cuntica
de Andrea Carusi
Septiembre 1995
El encuentro del cometa
Shoemaker-Levy 9 con Jpiter,
de David H. Levy, Eugene
M. Shoemaker y Carolyn
S. Shoemaker
Octubre
1995
Las compaeras
de las estrellas jvenes,
de Alan P. Boss
Diciembre
1995
La misin Galileo,
de Torrence V. Johnson
Enero I 996
Explosiones galcticas,
de Sylvain Veilleux, Gerald Cecil
y Jonathan Bland-Hawthorn
Abril
1996
La bsqueda de vida
en otros planetas,
de J. Roger P. Angel
y Neville J. Woolf
Junio 1996
El cinturn de Kuiper,
de Jane X. Luu y David C. Jewitt
Julio
1996
La dinamo estelar,
de E. Nesme-Ribes, S. L. Baliunas
dentes.
A pesar de ias er.identes diferencias
entre los giroscopios de fibra 1'1os de
de
Octubre
92
y D. Sokoloff
1996
'.
98-5.
Gynoscops N{;ry Ces SplNxrc, Grahanr J. Martin en IEEE Spec/rzlrr, volun.ren 23. nmero 2. pginas. .18-53r f'ebrero- I 986.
Tues
Teffisin visible
Jearl Walker
y las tensiones principales del plstico es necesario conocer la naturaleza de la luz polarizada. Segn la fsica clsica, la luz es una onda compuesta de campos elctricos
y magnticos oscilantes. Se trata de una onda peculiar en
se
'1. Dos
94
TEues 6
POLARIZADOR
LAMPARA DE 2OO W
CON REFLECTOR
DE 30 CM
CAMARA REFLEX
DE UN OBJETIVO
FLASH
ELECTRONICO
2X
FILTRO DE
I\4ODELO SOIVETIDO
A TENSIONES
DIFUSOR DE
VIDRIO ESMEBILADO
04
I\,1,4
filtro estuviesen
tendidas horizontalmente (paralelamente al eje x), desapareceran las componentes horizontales de los vectores.
En la figura 5 se representa esquemticamente la luz no
La CrrNcre or,tLuz
polarizada verticalmente.
De ordinario no se especif ica la orientacin de las molculas de un filtro, sino que a ste se le atribuye un eje de
polarizacin perpendicular a la longitud de las molculas.
Este eje imaginario corre paralelo a la polarizacin de la
luz saliente.
Supongamos que un rayo de luz polarizada verticalmente encuentra en su camino un segundo filtro polarizador. Lo atravesar? Ello depende del eje de polariza-
95
TENSION NORIMAL
\1
horizontalmente. Pero
si
el
ue actan
ELEMENTO ORIENTADO
DE IVANERA ESPECIAL
ELEMENTO ELEGIDO
AL AZAR
l1l)
PUNTO OBSERVADO
/ I t\
/'
/t I I I
1t\
\
IV
t./
l-\
/ t I t\
,zl\
**"=Xll-j/
SEGUNDA INS'
):
LUZ NO
POLARIZADA
la
96
Trrrres 6
Cuando las componentes emergen del plstico se recombinan. Cabe entonces la posibilidad de que la luz quede polarizada en otra direccin. Que ahora la luz atraviese
haya
variado la polarizacin.
Para determinar esa variacin hemos de examinar de
qu forma el plstico altera la longitud de onda de la luz.
Para simplificar, supongamos que la luz sea monocromtica, vale decir, compuesta de una nica longitud de onda.
Cuando esta luz pasa del aire a
un medio transparente, su longitud de onda se acorta; tanto
ms cuanto mayor sea el ndice
de refraccin del medio.
Como el plstico sometido a
tensin tiene un ndice de re-
EL POLARIZADOR PRODUCE
UNA LUZ POLARIZADA
VERTICALMENTE
)LUZ NO
POLARIZADA
EJES PRINCIPALES
TENSION
EL ANALIZADOR
CIEFHA EL PASO
A LA LUZ
a"
L. CIpNcra
oqrlLuz
VERTICAL
!
I
I
I
UN RESULTADO POSIBLE:
LUZ POLARIZADAA
CON RESPECTOA
LA VERTICAL
45O
ANALIZADOR
97
RESULTADOS DE
LA SEGUNDA FOTO
ISOCLINA
EJES
PRINCIPALES
ESTIMADOS
- -j.a
L
I
j
I
ISOCLINA
I
I
I
8. Estudio de isoclinas
98
gan en la foto sealarn los puntos del plstico que se distinguen por tener uno de los ejes principales vertical.
(Como los ejes principales son perpendiculares entre s, el
otro eje ser horizontal.) La configuracin de la foto se
calca en papel y se dibujan los ejes principales sobre varios
Tenes 6
tamiento de las longitudes de onda de las dos componentes luminosas transmitidas por cualquier punto del
plstico, tal configuracin tendr que ver con la longitud
de onda de la luz que Io ilumine. Si sta es blanca, cada
color crear su propia configuracin. Acontece que, en un
punto dado, algn color quiz parta con la misma polarizacin que a su entrada, caso en el que el analizador eliminar el color. La polarizacin de los otros colores que
pasen por ese punto variar un poco y, por ello, sern parcialmente transmitidos por el analizador, de modo que el
cromas (coloreadas).
Las dos fotografas de Ia figura 1 muestran modelos de
plstico que concentran las tensiones en sus zonas cncavas, donde las isocromas se agolpan ms, indicando que
las diferencias entre las tensiones varan considerablemente en esos puntos. Como los modelos estn sometidos a compresin por fuerzas que actan a la derecha y
a la izquierda, las zonas cncavas estn comprimidas. En
la foto superior, la zona convexa sufre traccin. La distribucin de color ms uniforme de las porciones rectas
indica que la distribucin de tensiones es ms uniforme
en ellas que en las porciones curvas.
*1*
ProroeLnsricrry:
t.:*i? t L iC il
|
PR lclpLrs
Pi-[
L4
f ii I\ft iA
Proro-Elasrc
Pergamon Press,
1966.
t
I
ljj,.t
EJERAPIDo
LUZ POLARIZADA
CIRCULARMENTE
POLARIZADOR
PLACA DE CUARTO
DE ONDA
a5f
/l
EJE RAPIDO
UN RESULTADO
PLACA DE CUARTO
DE ONDA
Le CrsNcla
or.tLuz
ANALIZADOR
99
7'
en la potencia
estudiado.
As las cosas. se le ocurri una solucin del problema a uno de 1os autores
(Robinson) mientras estaba viendo un
programa de televisin en el que se
mostraban unas imgenes tridimensionales, obtenidas por ordenador. de
las capas de rocas situadas bajo un
pozo de petrleo. Combinando adecuadamente ia tcnica de la interferometra con potentes ordenadores y pro-
de
100
ferograma se ha introducido en el ordenador, podemos echar mano de tcnicas matemticas para deducir los datos
estadsticos tiles que guarden relacin con Ia textura de la superficie.
Estos mtodos se han incorporado
ya en algunos dispositivos comercia-
mejolar
e1 f-rncionamiento de pro-
rado
1a
luz
de
El principio fundamental de la
interferometra consiste en Ia inte-
raccin
interferencia es destructiva y
1as
TEIr,t.s 6
este
ffi
oegoA126
oE
54 A
ffi
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-18 L,--l oe
s0
f,
A s4 "[lE
ortans+
oe -126 A -eo
se
Le CmNcre DELALUZ
Cuando
e1
1a
crea-
Lamedicinmanual de cadauno de
los cambios acontecidos en las franjas
lio de un ordenador. De ah que antao las aplicaciones de la interferometra microscpica se limitaran, por
comn, a problemas en dos dimensiones bien definidos: clculo de espesores, de profundidad de depsitos o
de araazos aislados.
1o
1o
101
As procede la interferometra
(^re produce interferencia de la luz cuando dos ondas o conjuntos de ondas
tu) interacta entre s. En el interfermetro de Michelson, un haz de lser incide
sobre un espejo semiplateado, que lo descompone en dos; uno se refleja en la
muestra y el otro se refleja en un espejo de referencia. Cuando ambos haces
se recombinan, las ondas presentan cierta diferencia de fase y se cancelan total
o parcialmente.
Las figuras de interferencia o interferogramas (fila de abajo) se caracterizan
por la repeticin de unas imgenes de oscuridad-luz-oscuridad conocidas como
bandas de interferencia. Las crestas y valles de la superf icie de la muestra obser-
ESPEJO DE REFERENCIA
<"_-
-**---+
FUENTE LUNINOSA
102
otras dos veces para recoger tres imgenes de interferencia. Siempre que
Ia muestra se mueve un octavo de longitud de onda, la longitud recorrida
cambia en un cuarto de longitud de
onda y Ia fase se desplaza 90 grados.
La fase de cada pxel de la imagen de
interferencia depender de la distancia recorrida por el haz de luz, distancia que viene condicionada por la
textura de la superficie y por el movimiento neto de la muestra.
Tl,ms 6
FUENTE LUMINOSA
ESPEJOS
A LA CAMARA DE VIDEO
LENTE DE REFERENCIA
DETECTOR
MODULADOR
ACUSTO-OPTICO
HAZ DE
INTER.
FERENCIA
COMBINADO
LA
INTERFERENCIA
SE PRODUCE AOUI
ESPEJO
HAz DE LA
MUESTRA
DESDOBLADOR
DEL HAz
OBJETIVO
ESPEJO DE
REFERENCIA
MUESTRA
BASE
AJUSTABLE
LASER
DE
HELIO
NEON
ESPEJO
MUESTRA EN
MOVIMIENTO
[ll
I)l
proceso de interferometra de
barrido por lser se inicia con el
gularidades en la superficie de la
muestra modifica 1a longitud del recorrido del haz de lser reflejado por ella
T
L
zan luego sobre una gua perfectamente pulimentada que est situada
en el foco del haz del lser. Hay otra
versin en la que los disquetes y otros
objetos planos se mueven bajo eI haz
de longitud
y un micrometro de
103
o.4
N
ff^
uo
o-O
P o.z
a
o-7<
o.2
o.
?E
<F
(/)ru
<=
JO
oo(I
=
3H,
I.IJ
H
<=
? 4.2
5--a.z
4.4
4.4
DTSTANC|A (Mil-TMETROS)
extraordinariamente lisa para que funcionen bien. La interferometra permite medir su textura superficial con facilidad
y rapidez. Presentamos los perfiles tpicos cuando se mide con
un interfermetro de barrido por lser (rrio) y con un dispo-
de1
microme-
DISTANCIA (MILIMETROS)
sitivo basado en un microscopio (abajo). Los primeros proporcionan guras alargadas de los perfiles tridimensionales,
que resultan tiles para conocer el espesor medio del revestimiento magntico de la cinta. Los segundos crean imgenes
tridimensionales, que indudablemente son ms intuitivas.
datos recogidos.
IJna vez procesados los datos, hay
de
Se
producen
1os
errores de Ia fase
1os
permitir un redondeo
de los datos, de
forma tal que la curvatura en cuestin
TEl,res 6
ma tridimensional.
Al estar generadas por ordenador,
las imgenes interferomtricas pueden doblarse, girarse o invertirse. Con
la ayuda de un programa especial para
grfrcos se puede exagerar el relieve
vertical de las imgenes obtenidas o
:otilizar colores que realcen las caractersticas topogrficas. Este apoyo
La altura media de las irregularidades y la desviacin tpica de sus alturas son tambin datos tiles.
J
l-l
La
CreNcrA.
DELALUZ
la
ducto presente fallos de funcionamiento, las tcnicas de interferometra han refinado los procesos de
medicin, amn de acotar con mayor
precisin los mecanismos responsables de esas prdidas.
La topografa de la superficie de las
pelcuIas fotogrfi cas reveladas guarda
relacin directa con la densidad ptica
de Ia imagen (es decir, con el ennegrecimiento de la emulsin). Las tcnicas
de interferometra determinan su definicin midiendo las pendientes de su
topografa superficial, informacin que
resulta muy valiosa para el desarrollo
de nuevos tipos de pelculas.
TllI
la, t",
que se utiliza como sustrato de muchos productos (cintas adhesivas, revestimientos decorativos, cintas mag-
magnticos, lminas de plstico, cabezales de grabacin y piezas de maquinaria de precisin. Pero hemos abordado un abanico ms amplio de
Drnecr-Pursp-DrEc-
rrNc Mrcnoscoprc
INTERFERoN,IETRY.
105
I trampoln, preparndose
para
entropa).
Sin embargo, dicha secuencia se
puede realizar con xito si lo que se
considera es el movimiento de la luz
o de cualquier otra radiacin electromagntica. Este fenmeno es posible
gracias a una importante propiedad
de los rayos luminosos, conocida desde
hace mucho tiempo: el carcter reversible de su propagaci n. P ar a cadahaz
106
hazideal,
se
de
tin
conjugada.
se
Turres 6
cir, cmo se invierte? Obtener la con- breve; por consiguiente, la forma del
jugacin de fase de una onda plana es espejo debera cambiarse de manera
fcil: la utilizacin de un espejo plano continua para que en todo momento
da lugar a Ia reflexin de la onda se ajustara a Ia forma de la onda.
hacia atrs. La conjugacin de una Finalmente, la precisin requerida
Este es l motivo por el cual el proceso onda esfrica no resulta mucho ms para construir y colocar tal es_pejo
de generar una onda invertida se difcil. En este caso, se monta un sera extraordinariamente grande.
se
espejo cncavo con forma de seccin Paraproducirunaondadefaseconesfrica de manera que el centro del jugada se requiere la utilizacin de
Larelacinentrelosfrentesdeonda espejo corresponda a la fuente de la un medio o de una superficie cuyas
de dos ondas mutuamente invertidas onda. En cada punto del espejo los propiedades resulten afectadas por
esanlogaalarelacinentrelasposi- rayosincidenperpendicularmentey, las caractersticas de las ondas que
ciones d dos ejrcitos enemigos sobre portanto, sonreflejados exactamente incidan en 1. Esta dependencia permite que dicho medio o superficie se
un mapa militar. El frente de cada hacia atrs.
ajuste automticamente al haz inciejrcit coincide con el del otro y las
frente
dente
con tal exactitud que, bajo cierhaz
con
un
un
conjugar
delos
movimientos
de
direcciones
f)ara
seables son opuestas. Podemos decir -F ae onda arbitrario se podra uti- tas condiciones, se origine un haz de
que las lneas del frente estn inver- lizar en principio un espejo cuyo per- fase conjugada. Afortunadamente
tidas entre s: una parte convexa del fil coincidiera con el frente de onda. tales materiales existen y se conocen
frente de uno de los ejrcitos corres- Desgraciadamente resulta difcil con eI nombre de materiales pticos
ponde a una parte cncava del otro. ponerenprcticaestemtodo. Enpri- no lineales.
Utilizando un lenguaje distinto, mer lugar, sera necesario construir LadifusindeBrillouinestimulada
diremosqueladiferenciadefaseentre unespejodiferenteparacadahazinci- y la mezcla de cuatro ondas son dos
de
onda.
,,conjugacindefaseopt'i;;;ffi;;".";;;3;;;;
dujo posteriormente en la literatura
cientfrca.
L,q
HAJL LIIMINOSO con la fase conjugada, es decir, con la fase "invertida temporqlmente'; puede compensar las storsiones originadas por un medio pticamen-
con.ieacin. l.
:,;:,"":H,T]ff.""',ffi#il$J$'::i::'*:iX?Yllx;i'.'#"T#Ii""."##1:
haz degradado se invierte luego por conjugacin de fase ptica. La transmisin hacia atrs del haz con la fase conjugada a travs del medio irregular o no homogneo restablece la calidad delbaz original (d.erech'a).
101
y Charles H. Townes.
cuando se dirige
Se produce
haz luminoso
[l
l-l
n 1a dilusion de
de Ia presin y la densidad, no
se
,-
densidad, Ia
electroslriccion. En consecuencia,
cuando un calnpo electl rco se llueve a
travs de un material con la velocidad
del sonido. puede dar lugar a una onda
sonora. Dicho campo elctrico puede
estocsticamente distribuidas en el
medio (es decir, ondas sonoras fluctuantes trmicamente). Cuando la
frecuencia - 1a direccin de una onda
difi-rndida son 1as adecuadas. la onda
interfiere con el haz incidente - ampli-
de
re
1a
108
Tl,r.cs
3. ESTA FOTOGRAFIA de un haz de laser sugiere la reversibilidad de las ondas luminosas si el nico dato fuera esta imagen
sera imposible afirmar si el haz se mueve de izquierda a derecha o de derecha a izquierda. (La direccin es de izquierda a
derecha.) La serie de bands verticales oscuras aparece como
resultado de la interferencia del haz de lser con un haz 'de re-
sido convertida en no uniforme mediante un ataque con cido fluorhdrico. Un haz de 1uz roja de un lser
pulsante de rub sufria una distorsin
al atravesar dicha p1aca. El haz distorsionado pasaba a un tubo de un
metro de longitud. cuatlo m1lmet1'os
de
HAZ OBJETO
PLACA DE VIDRIO
La CruNcm DELALUz
109
HAZ DE REFERENCIA
HAZ DE REFERENCIA
.-
nosos en un
{1.^z
-\
a
\HAZ
DE FASE ..NJUGADA
OBJETO
trario al de ste.
EI haz conjugado se produce
interfieren.
En consecuencia, toda la informa-
como
cin sobre
1a
o gas
AMPLIFICADOR
GENERADOR
haz muy
CONJUGADOR
DE FASE
AMPLIFI.CADOR
ESPEJO
SEMITRANSPARENTE
I!
GENERADOB
l-pRrvanro
110
cia atrs respecto al haz original a travs de las mismas irregularidades del
medio considerado y, como consecuencia, su movimiento se invierte' El haz
de "doble pasada" resultante tiene gran
potencia y se encuentra libre de distorsiones.
TEMAs 6
OBJETO
A
CALENTAR
CONJUGADOR
DE FASE
AMPLIFICADOR
el haz reflejado es
e1
conjugado de fase
1a reflexin
producida en cada zona de 1a figura
sea dbil, la suma de rodas ellas adquiere su importancia r- puede transferirse una canridad considerable de
energa desde e1 haz de referencia
hacia el conjugado.
Ll
CrNcte DELALUz
cin, se revela
\fiuchos
laboratorios de todo el
con xito
la conjugacin con cuatro ondas. Uno
de los atractivos de este mtodo consiste en que, al contrario de lo que
sucede en la conjugacin de fase por
difusin de Brillouin estimulada, no
se requiere una potencia mnima de
111
primario
1o
atraviesa. estimula
1as
Robert A. Weinberg
no distorsionara
Erkki Ruoslahti
DESAFIOS PSICOLOGICOS
DEL CANCER, Jimmie C. Holland
NATIVOS
TRATAM ENTOS
DEL CANCER, Jean-Jacques Aulas
I
1a drreccionalidad
del haz. para 1o que se lequelirla una
ALTE R
hacia atrs con respecto al haz original, a travs de las mismas illegularidades que el lser y. por tanto.
"invierte" su movimiento. E1 haz de
fase conjugada compensa no slo
1as
1a
BIBLIOGRAFIA COMPLEMEN'I
Tru.rs