Óptica

“Ciencia de la luz” como ha sido definida históricamente. En la actualidad se precisa su definición afirmando que La óptica es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionado con la propagación de la radiación electromagnética en un rango determinado del espectro, denominado rango de frecuencias ópticas. Este rango descrito en la escala equivalente de longitudes de onda (λ), incluye tres franjas: Ultravioleta, Visible e Infrarrojo. Dentro del espectro visible, conjunto de frecuencias a las que es sensible el sistema visual humano, se denominan colores a ciertas subfranjas particulares: Rojo, Naranja, Amarillo, Verde, Azul y Violeta.

Rango de frecuencias ópticas

Una posible clasificación de la óptica define la óptica geométrica como aquella que abarca el estudio de los fenómenos relativos a la propagación de la luz sin incluir los efectos de interferencia ni difracción, considerando los objetos compuestos por un conjunto de fuentes radiantes puntuales independientes. Esta descripción basada en el análisis de las trayectorias (rayos) de propagación de energía, es válida siempre que la longitud de onda (λ) de la perturbación que se desplaza sea mucho menor que las dimensiones características de los objetos con los que se encuentra, y justifica la gran aplicabilidad de los fenómenos de la óptica geométrica, originalmente obtenidos para la luz pero válidos para cualquier perturbación ondulatoria (mecánica o electromagnética) en las condiciones indicadas.

Cuando, en el rango de frecuencias ópticas, es necesario incorporar los efectos de interferencia y difracción, surge la óptica ondulatoria, y para tener en cuenta el carácter vectorial transversal del campo electromagnético, se define la óptica electromagnética.

Para describir los fenómenos relacionados con la interacción luz-materia se define la Óptica cuántica, la cual, en los límites adecuados, nos permite reobtener los formalismos adecuados para dicha interacción.



Espectro Electromagnético



Óptica Geométrica

La luz pertenece al espacio visible de las radiaciones electromagnéticas. Las ondas tanto mecánicas como electromagnéticas se describen de una manera adecuada por medio de los frentes de onda. Un frente de onda es la curva o superficie definida por los puntos adyacentes de una onda, que están en fase. La descripción geométrica de una onda mediante los frentes de onda no necesita considerar su naturaleza ondulatoria. Una recta perpendicular a los frentes de onda y que apunta en la dirección de propagación se denomina rayo y tiene la dirección del flujo de energía de la onda. La óptica geométrica prescinde de la naturaleza física de las ondas electromagnéticas y utiliza un punto de vista geométrico, con líneas rectas y ángulos para investigar muchos aspectos de la reflexión y la refracción de la luz.

Frentes de Rayos y Ondas



Reflexión

La reflexión de la luz. Es un fenómeno de suma importancia pues nos permite ver los objetos que nos rodean. La reflexión se rige por las siguientes leyes:

  • El Angulo de incidencia es igual al Angulo de reflexión.
  • El rayo incide, el rayo reflejado y la normal al plano reflectante están en el mismo plano.
    Θ i = Θ r


Reflexión



Refracción

Se conoce como refracción al fenómeno físico de cambio de dirección que experimente un haz de luz al pasar de un medio a otro. Esto se debe al cambio del modulo de la velocidad de la luz de V1 y V2 al cruzar la superficie de separación. Este fenómeno se rige por la Ley De Snell

  • SenΘ1 / SenΘ2 = v1 / v2


A partir de esta expresión se define un cociente llamado índice de refracción (n) que caracteriza el medio en el cual se propaga el haz con respecto al vacío.

  • n = (c(velocidad de la luz en el vacio)) / (v(velocidad de la luz en el medio))


De estas ecuaciones, se obtiene una nueva expresión de la Ley de Snell, la cual es útil para determinar el índice de refracción de un medio con respecto a otro.

  • n1 SenΘ1 = n2 SenΘ2


Donde n1 y n2 son los índice de refracción de los medios 1 y 2

Refracción



Rayo Láser

Los fenómenos excitación, fosforescencia y fluorescencias están presentes en el funcionamiento de un instrumento por demás misterioso, el laser.

La palabra laser es el acrónimo en inglés de “Light Amplification by stimulated Emission of Radiation” . El láser no es una fuente de energía. Es tan solo un convertidor de energía que consigue aumentar la intensidad de un haz de radiación electromagnética, aprovechando con ventaja la capacidad de los átomos y moléculas para emitir radiación de forma estimulada para asi concentrar cierta fracción de energía en forma de energía radiante, de una sola frecuencia y que tiene una sola dirección.

Aunque el primer laser fue inventado en 1958, el concepto de emisión estimulada fue adelantado por Albert Einstein en 1917. Lo interesante del láser no es que proporcione un haz de radiación amplificado, sino que además esta radiación posee unas propiedades de coherencia, monocromaticidad y direccionalidad que la hacen única y que justifican la enorme variedad de sus aplicaciones.

El láser es un dispositivo que produce un rayo de luz coherente, monocromático. Cada laser tiene su medio activo (fuente de átomos), que puede ser líquido, solido o gaseoso. Los átomos en el medio activo son excitados por una fuente de energía hasta llegar a estados meta-estable. Cuando la mayor parte de los átomos en el medio activo están excitados, un solo electrón de un átomo que sufra una desexcitacion, emite un fotón y puede iniciar una reacción en cadena. En este caso se hace incidir luz en átomos excitados esto hace que el átomo se desexcite emitiendo un fotón estimulador, ese fotón choca con otro átomo y lo estimula a emitir, por lo cual el fotón estimulador y el fotón estimulado son “coherentes”. Los dos fotones están dirigidos en la misma dirección. De esta manera se obtiene una amplificación de la luz, ya que a partir de un fotón obtenemos dos características idénticas y así sucesivamente produciéndose luz coherente

Rayo Láser