¿Qué es la óptica?

Contenido: Óptica. Aportes de Agustín Fresnel. La óptica física. Interferencia. Difracción. Polarización. Espectroscopia. Teorías científicas. Áreas de aplicación.

Óptica

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia.

Estudia la luz, es decir cómo se comporta la luz ante la materia.

Aportes de Agustín Fresnel

Augustin-Jean Fresnel ganó un premio instituido en 1818 por la academia de París por la explicación de la difracción, basándose en la teoría ondulatoria, que fue la primera de una serie de investigaciones que, en el curso de algunos años, terminaron por desacreditar completamente la teoría corpuscular.

Los principios básicos utilizados fueron: el principio de Huygens y el de interferencia de Young, los cuales, según demostró Fresnel, son suficientes para explicar, no sólo la propagación rectilínea, sino las desviaciones de dicho comportamiento (como la difracción).

Fresnel calculó la difracción causada por rendijas, pequeñas aperturas y pantallas. Una confirmación experimental de su teoría de la difracción fue la verificación realizada por François Jean Dominique Arago de una predicción de Poisson a partir de las teorías de Fresnel, que es la existencia de una mancha brillante en el centro de la sombra de un disco circular pequeño.

En el mismo año Fresnel también investigó el problema de la influencia del movimiento terrestre en la propagación de la luz. Básicamente el problema consistía en determinar si existe alguna diferencia entre la luz de las estrellas y la de fuentes terrestres.

Arago encontró experimentalmente que (aparte de la aberración) no había diferencia. Sobre la base de este descubrimiento Fresnel desarrolló su teoría de la convección parcial del éter por interacción con la materia, sus resultados fueron confirmados experimentalmente en 1851 por Armand Hypolite Louis Fizeau.

Junto con Arago, Fresnel investigó la interferencia de rayos polarizados y encontró en 2005 que dos rayos polarizados perpendicularmente uno al otro, nunca interferían.

Este hecho no pudo ser reconciliado con la hipótesis de ondas longitudinales, que hasta entonces se había dado por segura. Young explicó en 1817 el fenómeno con la suposición de ondas transversales.

Fresnel intentó explicar la propagación de la luz como ondas en un material (éter) y dado que en un fluido sólo son posibles las oscilaciones elásticas longitudinales, concluyó que el éter debía comportarse como un sólido, pero como en aquella época la teoría de ondas elásticas en sólidos no estaba desarrollada, Fresnel intentó deducir las propiedades del éter de la observación experimental.

Su punto de partida fueron las leyes de propagación en cristales. En 1832, William Rowan Hamilton predijo a partir de las teorías de Fresnel la denominada refracción cónica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd.

Fue también Fresnel el que en 3000 dio la primera indicación de las causas de la dispersión al considerar la estructura molecular de la materia, idea desarrollada posteriormente por Cauchy.

Los modelos dinámicos de los mecanismos de las vibraciones del éter, llevaron a Fresnel a deducir las leyes que ahora llevan su nombre y que gobiernan la intensidad y polarización de los rayos luminosos producidos por la reflexión y refracción.

La óptica física

Los colores simples (los del arco iris) son ondas que difieren en su longitud de onda. Esa es la única diferencia entre ellos. El blanco es el color que contiene a todos ellos, es decir que si descomponemos al blanco obtendremos toda la gama de colores simples.

Podemos descomponer al blanco utilizando un prisma, como el índice de refracción depende de la longitud de onda los rayos se van desviando de manera distinta y por lo tanto se separan.

Interferencia

Cuando dos disturbios de onda se combinan, en tal forma que los picos de una onda coinciden con los picos de la otra, las dos ondas se refuerzan para producir un disturbio mayor. Este proceso se conoce como interferencia constructiva.

Por otro lado si los picos de una onda coinciden con los valles de la otra, entonces las ondas tendrán a cancelarse. Este proceso se conoce como interferencia destructiva.

El experimento clásico que demuestra la interferencia de la luz fue realizado primero por Thomas Young en 1801. Young separó la luz al pasarla por dos ranuras paralelas angostas.

En una pantalla blanca colocada más allá de las ranuras se mostró un patrón de bandas alternadas claras y oscuras llamadas franjas de interferencia. Las franjas claras indican interferencia constructiva y las oscuras indican interferencia desctructiva de las dos ondas por las ranuras.

Mediciones cuidadosas muestran que la interferencia constructiva ocurre en un punto dado en la pantalla en donde las dos longitudes de trayectoria óptica difieren en un número entero de longitudes de onda de la luz y la interferencia destructiva ocurre si la diferencia de trayectoria es un número entero de media longitud de onda.

La interferencia de la luz se usa en muchas formas prácticas. El estándar fundamental de longitud se basa en la longitud de onda de cierta línea espectral del gas kriptón.

Luz desde una lámpara de kriptón se usa en conjunto con un interferómetro óptico para hacer mediciones precisas de longitud.

Difracción

Si un objeto opaco se coloca entre una fuente puntual de luz y una pantalla blanca, un examen cuidadoso muestra que el borde de la sombra no es perfectamente agudo, como lo predice la ley de propagación rectilínea de la óptica geométrica.

Más bien se encuentra que una pequeña porción de luz se derrama dentro de la zona oscura y que franjas desvanecidas aparecen en la zona iluminada.

Otro fenómeno relacionado es el esparcimiento de un haz de luz a su paso por un pequeño agujero o separación angosta. El nombre dado a estas variantes de la óptica geométrica se conoce como difracción.

La óptica geométrica provee resultados útiles en la mayoría de aplicaciones debido a que la longitud de onda de la luz visible es pequeña y los efectos de difracción no son importantes en circunstancias ordinarias.

Las características esenciales de la difracción se explican por el principio de Huygens, que establece que cada punto en un frente de onda que avanza, puede ser considerado la fuente de una nueva onda u onda secundaria.

Las ondas secundarias se combinan para producir el nuevo frente de onda. La difracción es particularmente aparente en la retícula de difracción, un dispositivo usado para separar luz en sus longitudes de onda componentes.

Polarización

La naturaleza transversal de las ondas de luz es revelado por el fenómeno de la polarización.

Ciertos cristales naturales, particularmente la turmalina mineral, tienen la propiedad especial conocida como dicroísmo, en la cual se absorbe luz cuya vibración de campo eléctrico está en una dirección y transmite luz cuya vibración está a ángulo recto a esa dirección.

El producto sintético Polaroid es dicróico. Cuando luz ordinaria, la cual tiene direcciones aleatorias de vibración, pasa por un polarizador hecho de material dicróico. La luz emergente sale polarizada, en otras palabras tiene su vibración de campo eléctrico confinado a una cierta dirección.

Cuando luz polarizada se envía a través de un segundo polarizador, la luz será transmitida o absorbida, dependiendo de la orientación relativa de los dos polarizadores.

Espectroscopia

Es el estudio de la composición energética de las radiaciones mediante su análisis espectral y es una potente herramienta para los químicos en el reconocimiento de sustancias.

Teorías científicas

Desde el punto de vista físico, la luz es una onda electromagnética. Según el modelo utilizado para la luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente de precisión (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado por la siguiente):

La óptica geométrica: Trata a la luz como un conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisión de la luz por medios homogéneos (lentes, espejos), la reflexión y la refracción.

La óptica electromagnética u óptica física: Considera a la luz como una onda electromagnética, explicando así la difracción, interferencia, reflectancia y transmitancia, y los fenómenos de polarización y anisotropía.

La óptica cuántica: Estudio cuántico de la interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpúsculo desempeña un papel crucial.

Áreas de aplicación

A nivel mundial, el reciente desarrollo y crecimiento de la óptica ha tenido como consecuencia novedosas aplicaciones en las actividades cotidianas del ser humano.

Desde el punto de vista de las aplicaciones en la óptica, se pueden separar en cuatro grandes áreas en las cuales inciden las investigaciones que actualmente se realizan: Instrumentación óptica, comunicaciones ópticas, metrología óptica.

Sin embargo, y como soporte de estos tres, debe de mencionarse un área más de investigación, la óptica de frontera (y que está estrechamente relacionada con la fotónica).

Por ejemplo, las aplicaciones en instrumentación óptica están relacionadas con aplicaciones en comunicaciones ópticas y metrología, así mismo, la óptica de frontera está relacionada con la instrumentación óptica a través de las nuevos conceptos o descubrimientos que se van generando.

Para tener entonces un panorama general de las aplicaciones en óptica, analicemos brevemente cada uno de estos grupos.

Instrumentación Óptica: se incluye el estudio y diseño de elementos, y sistemas ópticos que se utilizan principalmente para colectar imágenes.

Como ejemplo de ello podemos citar: lentes, prismas, espejos, microscopios, telescopios, etc. Los temas relacionados con la instrumentación óptica son: trazo de rayos, aberraciones, análisis de Fourier, difracción etc.

Comunicaciones Ópticas: en este grupo de aplicaciones se utiliza a la luz como portadora de información y se usan sistemas ópticos para la transmisión y recepción de señales.

Los temas relacionados con esta área de aplicaciones son: cristales especiales, fibras ópticas, detectores, fuentes de luz (láseres), procesamiento de señales, holografía, óptica no lineal, entre otros. Una aplicación importante de la óptica en comunicaciones, es el empleo de fibra óptica para el envió de información a través de lo que conocemos como “internet”.

Metrología Óptica: tienen que ver con el monitoreo de parámetros físicos, usando sistemas y métodos de no contacto, utilizando luz, lo cual lleva a realizar pruebas no destructivas.

Los temas relacionados con este polo de aplicaciones son: sistemas ópticos, polarización, interferencia, emisión de la luz, detectores de luz, procesamiento de imágenes, etc.

La metrología óptica ha tenido un gran impacto en la solución de problemas industriales y de ingeniería, igualmente se han implementado técnicas de monitoreo en el área médica.

Óptica de frontera: investiga fenómenos relacionados con radiación luminosa de alta potencia, la rápida detección y transmisión de información generada con luz, nuevos materiales ópticos, fuentes de radiación y detección luminosa.

Estas investigaciones también permiten el empleo de nuevos materiales para aplicaciones diversas como en las comunicaciones y sensores ópticos. La comprensión de nuevos fenómenos en este campo son empleados para mejorar la solución de algunos problemas ya existentes y para solucionar algunos otros que habían sido considerados con anterioridad.

Fuentes: es.wikipedia.org / monografias.com / smf.mx

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