Óptica física: historia, términos frecuentes, leyes, aplicaciones
La óptica física es la parte de la óptica que estudia la naturaleza ondulatoria de la luz y los fenómenos físicos que solo se comprenden a partir del modelo ondulatorio. También estudia los fenómenos de interferencia, polarización, difracción y otros fenómenos que no se pueden explicar desde la óptica geométrica.
El modelo ondulatorio define la luz como una onda electromagnética cuyos campos eléctricos y magnéticos oscilan perpendicularmente entre sí.
El campo eléctrico (E) de la onda de luz se comportan de forma similar a su campo magnético (B), pero predomina el campo eléctrico sobre el magnético por la relación de Maxwell (1831–1879) que establece lo siguiente:
E=cB
Donde c = Velocidad de propagación de la onda.
La óptica física no explica el espectro de absorción y emisión de los átomos. En cambio, la óptica cuántica si aborda el estudio de estos fenómenos físicos.
Índice del artículo
- 1 Historia
- 2 ¿Qué estudia la óptica física?
- 3 Términos frecuentes en óptica física
- 4 Leyes de la óptica física
- 5 Aplicaciones
- 6 Investigaciones recientes en Óptica Física
- 7 Referencias
La historia de la óptica física comienza con los experimentos realizados por Grimaldi (1613-1663), quien observó que la sombra proyectada por un objeto iluminado se mostraba más ancha y estaba rodeada por franjas de colores.
Al fenómeno observado le llamó difracción. Su trabajo experimental le condujo a plantear la naturaleza ondulatoria de la luz, en oposición a la concepción de Isaac Newton que predominó durante el siglo XVIII.
El paradigma Newtoniano establecía que la luz se comportaba como un rayo de pequeños corpúsculos que se desplazaban a gran velocidad en trayectorias rectilíneas.
Robert Hooke (1635-1703) defendió la naturaleza ondulatoria de la luz, en sus estudios sobre el color y la refracción, planteando que la luz se comportaba como una onda de sonido propagándose velozmente de forma casi instantánea a través de un medio material.
Más tarde Huygens (1629–1695), fundamentándose en las ideas de Hooke, consolidó la teoría ondulatoria de la luz en su Traité de la lumière (1690) en el que supone que las ondas de luz que emiten los cuerpos luminosos se propagan a través de un medio sutil y elástico llamado éter.
La teoría ondulatoria de Huygens explica los fenómenos de reflexión, refracción y difracción mucho mejor que la teoría corpuscular de Newton, y demuestra que la velocidad de la luz disminuye al pasar de un medio menos denso a uno más denso.
Las ideas de Huygens no fueron aceptadas por los científicos de la época por dos razones. La primera fue la imposibilidad de explicar satisfactoriamente la definición de éter, y la segunda fue el prestigio de Newton en torno a su teoría sobre la mecánica que influyó en una amplia mayoría de los científicos para que decidieran apoyar el paradigma corpuscular de la luz.
A principios del siglo XIX, Tomas Young (1773–1829) consigue que la comunidad científica acepte el modelo ondulatorio de Huygens a partir de los resultados de su experimento de interferencia de la luz. El experimento permitió determinar las longitudes de onda de los distintos colores.
En 1818 Fresnell (1788–1827) replanteó la teoría ondulatoria de Huygens en función del principio de interferencia. Además explicó el fenómeno de birrefringencia de la luz, que le permitió afirmar que la luz es una onda transversal.
En 1808 Arago (1788–1853) y Malus (1775-1812) explicaron el fenómeno de polarización de la luz a partir del modelo ondulatorio.
Los resultados experimentales de Fizeau (1819-1896) en 1849 y Foucalt (1819-1868) en 1862 permitieron comprobar que la luz se propaga más rápido en el aire que en el agua, contradiciendo la explicación dada por Newton.
En 1872, Maxwell publica su Tratado sobre Electricidad y Magnetismo, en el que enuncia las ecuaciones que sintetizan el electromagnetismo. A partir de sus ecuaciones obtuvo la ecuación de onda que permitió analizar el comportamiento de una onda electromagnética.
Maxwell encontró que la velocidad de propagación de una onda electromagnética se relaciona con el medio de propagación y coincide con la velocidad de la luz, llegando a la conclusión de que la luz es una onda electromagnética.
Finalmente, Hertz (1857–1894) en 1888 logra producir y detectar las ondas electromagnéticas y confirma que la luz es un tipo de onda electromagnética.
La óptica física estudia los fenómenos relacionados con la naturaleza ondulatoria de la luz, tales como interferencia, difracción y polarización.
La interferencia es el fenómeno mediante el cual dos o más ondas de luz se superponen coexistiendo en una misma región del espacio, formando bandas de luz brillante y oscura.
Las bandas brillantes se producen cuando varias ondas se suman para producir una onda de mayor amplitud. Este tipo de interferencia se llama interferencia constructiva.
Cuando las ondas se superponen para producir una onda de menor amplitud la interferencia se llama interferencia destructiva, y se producen bandas de luz oscura.
La forma como se distribuyen las bandas de colores se llama patrón de interferencia. La interferencia se puede observar en las pompas de jabón o en las capas de aceite de una carretera mojada.
El fenómeno de difracción es el cambio en la dirección de propagación que experimenta la onda luminosa al incidir en un obstáculo o abertura alterando su amplitud y su fase.
Al igual que el fenómeno de interferencia, la difracción es el resultado de la superposición de ondas coherentes. Dos o más ondas de luz son coherentes cuando oscilan con la misma frecuencia manteniendo una relación de fase constante.
A medida que el obstáculo es cada vez más pequeño en comparación con la longitud de onda, el fenómeno de difracción predomina sobre el fenómeno de reflexión y refracción en la determinación de la distribución de los rayos de la onda luminosa una vez que incide sobre el obstáculo.
La polarización es el fenómeno físico mediante el cual la onda vibra en una sola dirección perpendicular al plano que contiene el campo eléctrico. Si la onda no tiene una dirección fija de propagación se dice que la onda no está polarizada. Existen tres tipos de polarización: polarización lineal, polarización circular y polarización elíptica.
Si la onda vibra paralela a una línea fija describiendo una línea recta en el plano de polarización, se dice que está polarizada linealmente.
Cuando el vector campo eléctrico de la onda describe un círculo en el plano perpendicular a una misma dirección de propagación, manteniendo constante su magnitud, se dice que la onda está polarizada circularmente.
Si el vector campo eléctrico de la onda describe una elipse en el plano perpendicular a una misma dirección de propagación se dice que la onda está polarizada elípticamente.
Es un filtro que permite que solo una parte de la luz que se orienta en una sola dirección específica pase a través de él sin dejar pasar aquellas ondas que se orientan en otras direcciones.
Es la superficie geométrica en la que todas las partes de una onda tienen la misma fase.
La amplitud es la máxima elongación de una onda. La fase de una onda es el estado de vibración en un instante de tiempo. Dos ondas están en fase cuando tienen el mismo estado de vibración.
Es el ángulo de incidencia de la luz mediante el cual la onda de luz reflejada de la fuente está completamente polarizada.
Luz no visible por el ojo humano en el espectro de radiación electromagnética de 700nm a 1000μm.
Es una constante de velocidad de propagación de la onda luminosa en el vacío cuyo valor es 3×108m/s. El valor de la velocidad de la luz varía cuando se propaga en un medio material.
Medida de la distancia que hay entre una cresta y otra cresta o entre un valle y otro valle de la onda al propagarse.
Radiación electromagnética no visible con espectro de longitudes de onda menores de 400nm.
A continuación se mencionan algunas leyes de la óptica física que describen los fenómenos de polarización e interferencia
1. Dos ondas de luz con polarizaciones lineales, coherentes y ortogonales no interfieren entre sí para formar un patrón de interferencia.
2. Dos ondas de luz con polarizaciones lineales, coherentes y paralelas pueden interferir en una región del espacio.
3. Dos ondas de luz natural con polarizaciones lineales, no coherentes y ortogonales no interfieren entre sí para formar un patrón de interferencia.
La Ley de Malus establece que la intensidad de luz transmitida por un polarizador es directamente proporcional al cuadrado del coseno del ángulo que forma el eje de transmisión del polarizador y el eje de polarización de la luz incidente. En otras palabras:
I = I0cos2θ
I =I ntensidad de luz transmitida por el polarizador
θ = Ángulo entre el eje de transmisión y eje de polarización de el haz incidente
I0 = Intensidad de luz incidente
El haz de luz reflejado por una superficie está completamente polarizado, en la dirección normal al plano de incidencia de la luz, cuando el ángulo que forma el haz reflejado con el haz refractado es igual a 90°.
Algunas de las aplicaciones de la óptica física se hallan en el estudio de los cristales líquidos, en el diseño de sistemas ópticos y en la metrología óptica.
Los cristales líquidos son materiales que se mantienen entre el estado sólido y el estado líquido, cuyas moléculas poseen un momento dipolar que induce una polarización de la luz que incide sobre ellos. A partir de esta propiedad se han desarrollado pantallas de calculadoras, monitores, computadoras portátiles y teléfonos celulares.
A menudo, los sistemas ópticos se utilizan en la vida cotidiana, en la ciencia, en la tecnología y en la salud. Los sistemas ópticos permiten procesar, registrar y transmitir información de fuentes de luz tales com el sol, el LED, la lámpara de tungsteno o el láser. Ejemplos de sistemas ópticos son el difractómetro y el interferómetro.
Se encarga de realizar mediciones de alta resolución de parámetros físicos fundamentándose en la onda luminosa. Estas mediciones se realizan con interferómetros e instrumentos de refracción. En el área médica, la metrología se usa para realizar el monitoreo constante de los signos vitales de los pacientes.
Poshakinskiy y Poddubny (1) demostraron que partículas nanométricas con movimiento vibratorio pueden manifestar un efecto óptico-mecánico semejante al propuesto por Kerker et al (2) en 1983.
El efecto Kerker es un fenómeno óptico que consiste en la obtención de una direccionalidad fuerte de la luz dispersada por partículas esféricas magnéticas. Esta direccionalidad requiere que las partículas tengan respuestas magnéticas de la misma intensidad que las fuerzas eléctricas.
El efecto Kerker es una propuesta teórica que requiere de partículas materiales con características magnéticas y eléctricas que actualmente no existen en la naturaleza Poshakinskiy y Poddubny lograron el mismo efecto en partículas nanométricas, sin respuesta magnética significativa, que vibran en el espacio.
Los autores demostraron que las vibraciones de la partícula pueden crear polarizaciones magnéticas y eléctricas que interfieren de manera apropiada, debido a que se induce en la partícula componentes de polaridad magnética y eléctrica del mismo orden de magnitud cuando se considera la dispersión inelástica de la luz.
Los autores proponen la aplicación del efecto óptico-mecánico en dispositivos ópticos nanométricos al hacerlos vibrar por la aplicación de ondas acústicas.
Dhatchayeny y Chung (3) proponen un sistema experimental de comunicación óptica extracorporal (OEBC) que puede transmitir información de signos vitales de las personas a través de aplicaciones en teléfonos móviles con tecnología Android. El sistema consiste en un conjunto de sensores y un concentrador de diodos (arreglo LED).
Los sensores se colocan en varias partes del cuerpo para detectar, procesar y comunicar signos vitales como el pulso, la temperatura corporal y la frecuencia respiratoria. Los datos se recopilan a través del arreglo LED y se transmiten a través de la cámara del teléfono móvil con la aplicación óptica.
El arreglo LED emite luz en el rango de longitudes de onda de dispersión Rayleigh Gans Debye (RGB). Cada color y combinaciones de colores de la luz emitida se relacionan con los signos vitales.
El sistema propuesto por los autores puede facilitar el monitoreo de los signos vitales de forma confiable, dado que los errores en los resultados experimentales fueron mínimos.
- Optomechanical Kerker Effect. Poshakinskiy, A V y Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, págs. 2160-3308.
- Electromagnetic scattering by magnetic spheres. Kerker, M, Wang, D S y Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol. 73.
- Optical extra-body communication using smartphone cameras for human vital sign transmission. Dhatchayeny, D y Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
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