Optica 1
Optica 1
Optica 1
¿QUE ES LA ÓPTICA?
• Cuando las ondas secundarias llegan a otro medio u objeto, cada punto del límite entre los medios se convierte en
una fuente de dos conjuntos de ondas. El conjunto reflejado vuelve al primer medio, y el conjunto refractado entra
en el segundo medio. El comportamiento de los rayos reflejados y refractados puede explicarse por el principio de
Huygens. Es más sencillo, y a veces suficiente, representar la propagación de la luz mediante rayos en vez de ondas.
El rayo es la línea de avance, o dirección de propagación, de la energía radiante. En la óptica geométrica se
prescinde de la teoría ondulatoria de la luz y se supone que la luz no se difracta. La trayectoria de los rayos a través
de un sistema óptico se determina aplicando las leyes de reflexión y refracción.
GEOMETRÍA ÓPTICA
En física, la óptica geométrica es parte de las leyes
fenomenológicas de Snell de la reflexión y la refracción. A partir
de ellas, basta hacer geometría con los rayos luminosos para la
obtención de las fórmulas que corresponden a los espejos,
dioptrio y lentes , obteniendo así las leyes que gobiernan los
instrumentos ópticos a que estamos acostumbrados.
• Esta rama de la óptica se ocupa de aspectos del comportamiento de la luz tales como su emisión,
composición o absorción, así como de la polarización, la interferencia y la difracción.
POLARIZACIÓN DE LA LUZ
• Los átomos de una fuente de luz ordinaria emiten pulsos de radiación de duración muy corta. Cada pulso
procedente de un único átomo es un tren de ondas prácticamente monocromático (con una única longitud de
onda). El vector eléctrico correspondiente a esa onda no gira en torno a la dirección de propagación de la
onda, sino que mantiene el mismo ángulo, o acimut, respecto a dicha dirección. El ángulo inicial puede tener
cualquier valor. Cuando hay un número elevado de átomos emitiendo luz, los ángulos están distribuidos de
forma aleatoria, las propiedades del haz de luz son las mismas en todas direcciones, y se dice que la luz no
está polarizada. Si los vectores eléctricos de todas las ondas tienen el mismo ángulo acimutal (lo que significa
que todas las ondas transversales están en el mismo plano), se dice que la luz está polarizada en un plano, o
polarizada linealmente.
• Cualquier onda electromagnética puede considerarse como la suma de dos conjuntos de ondas: uno en el que
el vector eléctrico vibra formando ángulo recto con el plano de incidencia y otro en el que vibra de forma
paralela a dicho plano. Entre las vibraciones de ambas componentes puede existir una diferencia de fase, que
puede permanecer constante o variar de forma constante. Cuando la luz está linealmente polarizada, por
ejemplo, esta diferencia de fase se hace 0 o 180°.
INTERFERENCIA Y DIFRACCIÓN
• Cuando dos haces de luz se cruzan pueden interferir, lo que afecta a la distribución de intensidades resultante. La
coherencia de dos haces expresa hasta qué punto están en fase sus ondas. Si la relación de fase cambia de forma
rápida y aleatoria, los haces son incoherentes. Si dos trenes de ondas son coherentes y el máximo de una onda
coincide con el máximo de otra, ambas ondas se combinan produciendo en ese punto una intensidad mayor que si
los dos haces no fueran coherentes. Si son coherentes y el máximo de una onda coincide con el mínimo de la otra,
ambas ondas se anularán entre sí parcial o totalmente, con lo que la intensidad disminuirá. Cuando las ondas son
coherentes, puede formarse un diagrama de interferencia formado por franjas oscuras y claras. Para producir un
diagrama de interferencia constante, ambos trenes de onda deben estar polarizados en el mismo plano. Los átomos
de una fuente de luz ordinaria irradian luz de forma independiente, por lo que una fuente extensa de luz suele
emitir radiación incoherente. Para obtener luz coherente de una fuente así, se selecciona una parte reducida de la
luz mediante un pequeño orificio o rendija. Si esta parte vuelve a separarse mediante una doble rendija, un doble
espejo o un doble prisma y se hace que ambas partes recorran trayectorias de longitud ligeramente diferente antes
de combinarlas de nuevo, se produce un diagrama de interferencias. Los dispositivos empleados para ello se
denominan interferómetros; se emplean para medir ángulos pequeños, como los diámetros aparentes de las
estrellas, o distancias pequeñas, como las desviaciones de una superficie óptica respecto a la forma deseada. Las
distancias se miden en relación a la longitud de onda de la luz empleada. El primero en mostrar un diagrama de
interferencias fue Thomas Young.
EMISIÓN ESTIMULADA
• Los átomos de una fuente de luz corriente (como una bombilla incandescente, una lámpara fluorescente o
una lámpara de neón) producen luz por emisión espontánea, y la radiación que emiten es incoherente. Si un
número suficiente de átomos absorben energía de manera que resultan excitados y acceden a estados de
mayor energía en la forma adecuada, puede producirse la emisión estimulada. La luz de una determinada
longitud de onda puede provocar la producción de más luz con la misma fase y dirección que la onda original,
por lo que la radiación será coherente. La emisión estimulada amplifica la radiación con una longitud de onda
determinada, y la luz generada presenta una desviación del haz muy baja. El material excitado puede ser un
gas, un sólido o un líquido, pero su forma (o la forma de su recipiente) debe ser tal que forme un
interferómetro en el que la longitud de onda que se amplifica se refleje numerosas veces en un sentido y otro.
Una pequeña parte de la radiación excitada se transmite a través de uno de los espejos del interferómetro.
Este dispositivo se denomina láser, que en inglés corresponde al acrónimo de "amplificación de luz por
emisión estimulada de radiación". El proceso de suministrar energía a un número elevado de átomos para
llevarlos a un estado adecuado de energía superior se denomina bombeo. El bombeo puede ser óptico o
eléctrico. Como un láser puede emitir pulsos de energía extremadamente alta con una desviación de haz muy
pequeña, es posible detectar, por ejemplo, luz láser enviada a la Luna y reflejada de vuelta a la Tierra, lo que
permite medir con precisión la distancia Tierra-Luna.
ESPECTROSCOPIA
• Los aparatos para observar visualmente un espectro se denominan espectroscopios; los que sirven para
observar y registrar un espectro fotográficamente se llaman espectrógrafos; los empleados para medir
la intensidad de las diferentes partes del espectro se denominan espectrofotómetros. La ciencia que
utiliza los espectroscopios, espectrógrafos y espectrofotómetros para estudiar los espectros se conoce
como espectroscopia. Para medidas espectroscópicas extremadamente precisas se emplean
interferómetros.
• «Nadie ha sido capaz de definir la diferencia entre interferencia y difracción de forma satisfactoria. Es
solo una cuestión de uso, sin diferencias físicas importantes».
• Para microscopistas y fotógrafos la difracción, por lo general, una limitante para obtener imágenes
nítidas. Sin embargo, el efecto se puede aprovechar para varias técnicas.