Unidad 3 - Óptica PDF

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El presente trabajo proporciona la información sobre el tema de la "Óptica" en la materia de Física General...

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Tabla de contenido Introducción......................................................................................................................................3 3. Óptica...........................................................................................................................................4 3.1 Óptica geométrica.....................................................................................................................4 3.1.1 Concepto de luz.................................................................................................................6 3.1.2 Velocidad de la luz.............................................................................................................8 3.1.3 Reflexión y Refracción....................................................................................................10 3.1.4 Fibra óptica.......................................................................................................................12 3.1.5 Espejos.............................................................................................................................13 3.1.6 Lentes................................................................................................................................14 3.1.7 El telescopio.....................................................................................................................15 3.2 Estudio y aplicaciones de emisión láser..............................................................................17 Conclusión......................................................................................................................................21 Referencias....................................................................................................................................22

Introducción La óptica es una rama de la física dedicada al estudio de la luz visible: sus propiedades y comportamiento. También analiza sus posibles aplicaciones en la vida humana, como la construcción de instrumentos para detectarlo o utilizarlo. La óptica define la luz como una banda de radiación electromagnética, que se comporta como otras formas invisibles del espectro electromagnético (para nosotros), como la radiación ultravioleta o infrarroja. Esto significa que su comportamiento se puede describir en términos de la mecánica ondulatoria (un contexto muy específico en el que la luz actúa como partícula) y la electrodinámica clásica de la luz.

La óptica es un campo de investigación muy importante que proporciona herramientas para otras ciencias, especialmente astronomía, ingeniería, fotografía y medicina (oftalmología y óptica). Gracias a su existencia, incluye espejos, lentes, telescopios, microscopios, láseres y sistemas de fibra óptica.

3. Óptica. La óptica física es la rama de la física que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. Estos fenómenos son: 

Difracción: es la capacidad de las ondas para cambiar la dirección alrededor de obstáculos en su trayectoria, esto se debe a la propiedad que tienen las ondas de generar nuevos frentes de onda.



Polarización: es la propiedad por la cual uno o más de los múltiples planos en que vibran las ondas de luz se filtra impidiendo su paso. Esto produce efectos como eliminación de brillos.

La física óptica, o ciencia óptica, es un subcampo de la física atómica, molecular y óptica. Es el estudio de la generación de la radiación electromagnética, las propiedades de esa radiación, y la interacción de esa radiación con la materia, especialmente su manipulación y control.

3.1 Óptica geométrica. El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso. Para estudiar la posición de una imagen con respecto a un objeto se utilizan las siguientes definiciones: 

Eje óptico. Eje de abscisas perpendicular al plano refractor. El sentido positivo se toma a la derecha al plano refractor, que es el sentido de avance de la luz.



Espacio objeto. Espacio que queda a la izquierda del dioptrio.



Espacio imagen. Espacio que queda a la derecha del dioptrio.



Imagen real e imagen virtual. A pesar del carácter ficticio de una imagen se dice que una imagen es real si está formada por dos rayos refractados convergentes. Una imagen real se debe observar en una pantalla. Se dice que es virtual si se toma por las prolongaciones de dos rayos refractados divergentes.

Dos puntos interesantes del eje óptico son el foco objeto y el foco imagen: 

Foco objeto. Punto F del eje óptico cuya imagen se encuentra en el infinito del espacio imagen.



Foco imagen. Punto F´ del eje óptico que es la imagen de un punto del infinito del espacio objeto.

La construcción de imágenes es muy sencilla si se utilizan los rayos principales: 

Rayo paralelo: Rayo paralelo al eje óptico que parte de la parte superior del objeto. Después de refractarse pasa por el foco imagen.



Rayo focal: Rayo que parte de la parte superior del objeto y pasa por el foco objeto, con lo cual se refracta de manera que sale paralelo. Después de refractarse pasa por el foco imagen.



Rayo radial: Rayo que parte de la parte superior del objeto y está dirigido hacia el centro de curvatura del dioptrio. Este rayo no se refracta y continúa en la misma dirección ya que el ángulo de incidencia es igual a cero.

3.1.1 Concepto de luz. Luz es una radiación electromagnética y generalmente nos referimos a la que nos es visible. La luz se transmite en forma de ondas cuyo reflejo ilumina las superficies permitiéndonos, de esta manera, ver los objetos y los colores a nuestro alrededor.

Los colores que el ojo humano puede distinguir se sitúan dentro de lo que se denomina el espectro visible de la luz. En este sentido, la luz se manifiesta mediante longitudes de onda, en el extremo de las ondas más largas tenemos el tipo de radiación como el de las ondas de radio, y en el extremo de las ondas más cortas se encuentran los rayos gamma. Ambos extremos del espectro son invisibles para la visión humana. Las formas en que se propaga la luz son definidas en lo que se conoce como el espectro electromagnético. La luz visible se encuentra entre la luz infrarroja y la luz ultravioleta. Como fuente de luz nos referimos a todo lo que origina energía, ya sea en términos visibles o invisibles como, por ejemplo: 

El sol produce luz en forma de energía lumínica, dentro del espectro electromagnético que se encuentra entre la luz visible y la luz ultravioleta,



Las fuentes de alimentación que generan luz eléctrica con tecnologías de eficiencia y ahorro energético como las luces LED, y



Las fuentes denominadas espirituales que otorgan a los fieles luz espiritual o luz divina.

Propiedades de la luz Las propiedades de la luz son constantemente estudiadas especialmente en física y en la teoría de los colores que responde a preguntas como ¿el negro y el blanco son colores? El estudio de las propiedades de la luz solo fue posibles gracias al prisma de Newton, que posteriormente crea las bases para el estudio de la óptica. Isaac Newton (1643-1727) expone su investigación sobre la interacción de la luz con otras materias en su obra Óptica de 1704. Algunas de las propiedades más importantes definen que la luz: 

Se propaga en línea recta,



Se define como rayo incidente aquella que llega a una superficie,



Se define como rayo reflejado al rebotar sobre una superficie reflectante,



Cambia de dirección cuando refracta de una superficie a otra,



Permite que el ojo humano vea las formas y los colores.

Por otro lado, existen dos tipos de reflexión de luz según el tipo de superficie en la cual se refleja: 

La reflexión especular: sucede en superficies lisas como espejos donde los rayos salen en la misma dirección.



La reflexión difusa: sucede en superficies rugosas donde los rayos rebotan en todas las direcciones permitiéndonos ver los contornos de un objeto.

3.1.2 Velocidad de la luz. Hasta la época de Galileo (1564- 1642) se consideraba que la propagación de la luz era instantánea. El propio Galileo realizó un experimento para determinar la velocidad de la luz que consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas que se encontraban a 1 km de distancia. Su idea consistía en medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la distancia entre los experimentadores situados en las colinas. Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz, destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores. Aunque el método es correcto, la velocidad de la luz es muy alta y el tiempo a medir era incluso más pequeño que las fluctuaciones de la respuesta humana. Galileo no pudo obtener un valor razonable para la velocidad de la luz. A partir de Galileo, se sucedieron muchos experimentos para determinar la velocidad de la luz.

El dibujo siguiente representa un esquema simplificado del método de Foucault.

Cuando el espejo rotativo da un octavo de vuelta durante el tiempo que la luz emplea para ir al espejo fijo y volver, la siguiente cara del espejo está en la posición adecuada para reflejar la luz hacia el telescopio de observación. La luz no sólo se propaga en el vacío, sino que lo hace también en algunos medios materiales, desplazándose en cada medio con una velocidad diferente según las características de éste. La velocidad de la luz: límite de las velocidades Casi todo el mundo sabe que ningún cuerpo puede alcanzar la velocidad de la luz. Esto es difícil de explicar con las leyes de la física clásica ya que comunicando la energía adecuada a un cuerpo podemos hacer que aumente su velocidad y no parece haber ninguna razón que nos impida acercarnos a la velocidad de la luz o incluso superarla. Sin embargo, Einstein, en la teoría de la relatividad, plantea que la masa de los cuerpos puede considerarse una forma de energía. Si a una partícula que se desplaza a velocidades próximas a la de la luz le comunicamos energía, ésta se traduce en un aumento de masa de la partícula y no en un aumento de velocidad, por eso decimos que no es posible que un cuerpo alcance la velocidad de la luz.

Según los cálculos de Einstein, si pudiéramos ver un cuerpo que se moviera a unos 260.000 km/s observaríamos que su masa se ha duplicado con respecto a la que tenía en reposo. Cuando la velocidad del cuerpo es baja (comparada con la de la luz), el aumento de masa que sufre si se le comunica energía es tan pequeño que no lo podemos medir. En este caso, tal como hacemos en la física clásica, podemos considerar que la masa de los cuerpos es constante.

3.1.3 Reflexión y Refracción. Reflexión La reflexión de una onda es el rebote que experimenta cuando llega a un obstáculo grande, como una pared. Aunque el obstáculo absorba parte de la energía recibida (incluso vibrando si entra en resonancia) se produce también reflexión en la que se transmite de vuelta parte de la energía a las partículas del medio incidente.

En la figura adjunta se representa un frente de ondas plano llegando a una superficie horizontal con un cierto ángulo i de incidencia (se mide con respecto a la dirección normal, N) De acuerdo con el principio de Huygens, cuando el frente de ondas empieza a "tocar" la superficie, el punto A se convierte en un nuevo foco que emite ondas secundarias y según transcurre el tiempo y el frente AB va incidiendo, repiten este comportamiento todos los puntos de la superficie comprendidos entre A y C. El frente de ondas reflejado, DC, es el envolvente de

las ondas secundarias que se han ido emitiendo durante un tiempo igual al periodo desde el tramo AC de la pared. Aplicando leyes de geometría elemental al proceso, se llega a la conclusión de que el ángulo de incidencia i es igual al ángulo de reflexión r (ley de la reflexión). Refracción La refracción de una onda consiste en el cambio de dirección que experimenta cuando pasa de un medio a otro distinto. Este cambio de dirección se produce como consecuencia de la diferente velocidad de propagación que tiene la onda en ambos medios.

En la figura adjunta se representa la refracción de una onda plana desde un medio 1 a otro medio 2, suponiendo que la velocidad de propagación es menor en el segundo medio que en el primero. A medida que el frente de ondas AB va incidiendo en la superficie de separación, los puntos AC de esa superficie se convierten en focos secundarios y transmiten la vibración hacia el segundo medio. Debido a que la velocidad en el segundo medio es menor, la envolvente de las ondas secundarias transmitidas conforma un frente de ondas EC, en el que el punto E está más próximo a la superficie de separación que el B. En consecuencia, al pasar al segundo medio los rayos se desvían acercándose a la dirección normal N.

Mediante un razonamiento similar se comprueba que la desviación de la dirección de propagación tiene lugar en sentido contrario cuando la onda viaja de un medio donde su velocidad de propagación es menor a otro en el que es mayor. Para describir formalmente la refracción de ondas luminosas (no mecánicas) se define el índice de refracción de un medio, n, indicando el número de veces que la velocidad de la luz es mayor en el vacío que en ese medio. Es decir, el índice de refracción es igual a 1 en el vacío (donde la luz tiene su máxima velocidad, 300000 Km/s) y mayor que la unidad en cualquier otro medio. Normalmente la reflexión y la refracción se producen de forma simultánea. Cuando incide una onda sobre la superficie de separación entre dos medios, los puntos de esa superficie actúan como focos secundarios, que transmite la vibración en todas las direcciones y forman frentes de onda reflejados y refractados. La energía y la intensidad de la onda incidente se reparte entre ambos procesos (reflexión y refracción) en una determinada proporción.

3.1.4 Fibra óptica. La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bidireccional: TX y RX. El grosor del filamento es comparable al grosor de un cabello humano, es decir, aproximadamente de 0,1 mm. En cada filamento de fibra óptica podemos apreciar 3 componentes: 

La fuente de luz: LED o laser.



El medio transmisor: fibra óptica.



El detector de luz: fotodiodo.

Un cable de fibra óptica está compuesto por: Núcleo, manto, recubrimiento, tensores y chaqueta. Las fibras ópticas se pueden utilizar con LAN, así como para transmisión de largo alcance, aunque derivar en ella es más complicado que conectarse a una Ethernet. La interfaz en cada computadora pasa la corriente de pulsos de luz hacia

el siguiente enlace y también sirve como unión T para que la computadora pueda enviar y recibir mensajes. Convencionalmente, un pulso de luz indica un bit 1 y la ausencia de luz indica un bit 0. El detector genera un pulso eléctrico cuando la luz incide en él. Este sistema de transmisión tendría fugas de luz y sería inútil en la práctica excepto por un principio interesante de la física. Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, el rayo se refracta (se dobla) entre las fronteras de los medios. El grado de refracción depende de las propiedades de los dos medios (en particular, de sus índices de refracción). Para ángulos de incidencia por encima de cierto valor crítico, la luz se refracta de regreso; ninguna función escapa hacia el otro medio, de esta forma el rayo queda atrapado dentro de la fibra y se puede propagar por muchos kilómetros virtualmente sin pérdidas. En la siguiente animación puede verse la secuencia de transmisión.

3.1.5 Espejos. Un espejo (del lat. specullum) es una superficie pulida en la que, al incidir la luz, se refleja siguiendo las leyes de la reflexión. El ejemplo más sencillo es el espejo plano. En este último, un haz de rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente en conjunto y continuar siendo un haz de rayos

paralelos, pudiendo producir así una imagen virtual de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real. La imagen resulta derecha pero invertida en el eje normal al espejo. También existen espejos curvos que pueden ser cóncavos o convexos. En un espejo cóncavo cuya superficie forma un paraboloide de revolución, todos los rayos que inciden paralelos al eje del espejo, se reflejan pasando por el foco, y los que inciden pasando por el foco, se reflejan paralelos al eje. Los espejos son objetos que reflejan casi toda la luz que choca con su superficie debido a este fenómeno podemos observar nuestra imagen en ellos.

3.1.6 Lentes. Las lentes son objetos transparentes (normalmente de vidrio), limitados por dos superficies, de las que al menos una es curva. Las lentes más comunes están basadas en el distinto grado de refracción que experimentan los rayos al incidir en puntos diferentes del lente.

Entre ellas están las utilizadas para corregir los

problemas de visión en gafas, anteojos o lentillas. También se usan lentes, o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios y microscopios. El primer telescopio astronómico fue construido por Galileo Galilei usando una lente convergente (lente positiva) como objetivo y otra divergente (lente negativa) como ocular. Existen también instrumentos capaces de hacer converger o divergir otros

tipos de ondas electromagnéticas y a los que se les denomina también lentes. Por ejemplo, en los microscopios electrónicos las lentes son de carácter magnético. En astrofísica es posible observar fenómenos de lentes gravitatorias, cuando la luz procedente de objetos muy lejanos pasa cerca de objetos masivos, y se curva en su trayectoria.

3.1.7 El telescopio. Se denomina telescopio (del griego τηλε 'lejos' y σκοπέω, 'observar') al instrumento óptico que permite ver objetos lejanos con mucho más detalle que a simple vista al captar radiación electromagnética, tal como la luz. Es

una

herramienta

fundamental

en

astronomía, y

cada

desarrollo

o

perfeccionamiento de este instrumento ha permitido avances en nuestra comprensión del Universo. Gracias al telescopio —desde que Galileo Galilei en 1610 lo usó para mirar la Luna, el planeta Júpiter y las estrellas— el ser humano pudo, por fin, empezar a conocer la verdadera naturaleza de los cuerpos celestes que nos rodean y nuestra ubicación en el universo. Los telescopios son instrumentos que permiten la observación de objetos a grandes distancias, mucho

mejor que si los observáramos a simple vista. Galileo Galilei usó por distancias, mucho mejor que si los observáramos a simple vista. Galileo Galilei usó por primera vez el telescopio en astronomía, el año 1609. Newton perfeccionó el modelo primera vez el telescopio en astronomía, el año 1609. Newton perfeccionó el modelo original de tipo refractor, construyendo un reflector en 1671. Posteriormente aparecieron original de tipo refractor, construyendo un reflector en 1671. Posteriormente aparecieron modelos mucho mejores, y aunque al principio sólo eran accesibles por astrónomos modelos muc...