Óptica

Óptica
	rama de la física, campu de trabayu y sector económico (es)
	ciencies naturales

La óptica ye la parte de la física que trata de la lluz y de los fenómenos lluminosos.

Na Edá Antigua conocíase l'espardimientu rectilliniu de la lluz, la reflexón y refraición. Dellos filósofos y matemáticos griegos escribieron trataos sobre óptica. Ente ellos: Empédocles y Euclides.

Yá na Edá Moderna René Descartes consideraba la lluz como una onda de presión tresmitida al traviés d'un mediu elásticu perfectu (l'éter) qu'enllenaba l'espaciu. Atribuyó los distintos colores a movimientos rotatorios de distintes velocidaes de les partícules nel mediu.

La llei de la refraición foi afayada esperimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657 Pierre de Fermat anunció'l principiu del tiempu mínimu y a partir d'él dedució la llei de la refraición.

Na refraición el rayu de lluz que se traviesa d'un mediu tresparente a otru, denominar rayu incidente; el rayu de lluz que s'esvia al ingresar al segundu mediu tresparente denominar rayu refractado; l'ángulu en que'l rayu incidente, al ingresar al segundu mediu, forma cola perpendicular al mesmu, denominar ángulu d'incidencia; l'ángulu que'l rayu incidente forma col rayu refractado, al esviase, denominar ángulu de refraición o ángulu indetermináu. Esti postreru varia direutamente en rellación a la diferencia ente los índices de refraición de dambes superficies (dependientes de la mesma de la diferencia de la velocidá de la lluz al traviés de distintos materiales).

Interferencia y difracción

Interferencia (esquema simuláu).

Robert Boyle y Robert Hooke afayaron de forma independiente'l fenómenu d'interferencia conocíu como aniellos de Newton, que la so esplicación teórica propunxo'l mesmu Isaac Newton. Hooke tamién reparó la presencia de lluz na solombra xeométrica, por cuenta de la difracción, fenómenu que yá fuera afayáu por Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensaba que la lluz consistía en vibraciones arrobinaes instantáneamente a gran velocidá y creía que nun mediu homoxéneu cada vibración xeneraba una esfera que crez de forma regular. Con estes idees, Hooke intentó esplicar el fenómenu de la refraición ya interpretar los colores. Sicasí, los estudios qu'esclariaron les propiedaes de los colores fueron desenvueltos por Newton qu'afayó en 1666 que la lluz blanco puede estremase n'el so colores componentes por aciu un prisma y atopó que cada color puru carauterizar por una refractabilidad específica. Les dificultaes que la teoría ondulatoria atopar pa esplicar l'espardimientu rectilliniu de la lluz y la polarización (afayada por Huygens) llevaron a Newton a inclinase pola teoría corpuscular, que supón que la lluz arrobinar dende los cuerpos lluminosos en forma de partícules.

Dispersión de la lluz en dos prismes de distintu material.

Na dómina en que Newton publicó la so teoría del color, nun se conocía si la lluz arrobinábase instantáneamente o non. El descubrimientu de la velocidá finita de la lluz realizólo en 1675 Olaf Roemer a partir d'observaciones de los eclíss de Xúpiter.

Primeres teoríes y otros fenómenos

Pela so parte, Hooke foi de los primeros defensores de la teoría ondulatoria que foi estendida y ameyorada por Christian Huygens qu'enunció'l principiu que lleva'l so nome, según el cual cada puntu alteriáu por una onda puede considerase como'l centru d'una nueva onda secundaria, la envolvente d'estes ondes secundaries define'l frente d'onda nun tiempu posterior. Cola ayuda d'esti principiu, consiguió deducir les lleis de la reflexón y refraición. Tamién pudo interpretar la doble refraición del espato d'Islandia, fenómenu descubiertu en 1669 por Erasmus Bartholinus, gracies a el camientu de la tresmisión d'una onda secundaria elipsoidal, amás de la principal de forma esférica. Mientres esta investigación Huygens afayó la polarización. Cada unu de los dos rayos emerxentes de la refraición del espato d'Islandia puede escastase faciéndolo pasar por un segundu cristal del mesmu material, rotado alredor d'una exa cola mesma direición que'l rayu lluminosu. Foi sicasí Newton el que consiguió interpretar esti fenómenu, suponiendo que los rayos teníen “llaos”, propiedá que-y paeció una oxeción insuperable pa la teoría ondulatoria de la lluz, yá que naquella dómina los científicos namái taben familiarizaos coles ondes llonxitudinales.

El prestíu de Newton, indució'l refugu per parte de la comunidá científica de la teoría ondulatoria, mientres casi un sieglu, con delles esceiciones, como la de Leonhard Euler. Nun foi hasta l'empiezu del Sieglu XIX en que nuevos progresos llevaron a l'aceptación xeneralizada de la teoría ondulatoria. El primeru d'ellos foi la enunciación por Thomas Young en 1801, del principiu d'interferencia y l'esplicación de los colores de películes delgaes. Sicasí, como fueron espresaes en términos cualitativos nun consiguieron reconocencia xeneralizada. Nesta mesma dómina Étienne-Louis Malus describió la polarización por reflexón, en 1808 reparó la reflexón del Sol dende una ventana al traviés d'un cristal de espato d'Islandia y atopó que los dos imáxenes birrefringentes variaben les sos intensidaes relatives al rotar el cristal, anque Malus nun intentó interpretar el fenómenu.

Apurras de Fresnel

Augustin-Jean Fresnel ganó un premiu instituyíu en 1818 pola academia de París pola esplicación de la difracción, basándose na teoría ondulatoria, que foi la primera d'una serie d'investigaciones que, nel cursu de dellos años, terminaron por desacreditar dafechu la teoría corpuscular. Los principios básicos utilizaos fueron: el principiu de Huygens y el d'interferencia de Young, que, según demostró Fresnel, son abondes pa esplicar, non yá l'espardimientu rectilliniu, sinón les esviaciones de dichu comportamientu (como la difracción). Fresnel calculó la difracción causada por rendijas, pequeñes apertures y pantalles. Una confirmación esperimental de la so teoría de la difracción foi la verificación realizada por François Jean Dominique Arago d'una predicción de Poisson a partir de les teoríes de Fresnel, que ye la esistencia d'una mancha brillosa nel centru de la solombra d'un discu circular pequeñu, denomada puntu de Arago.

Nel mesmu añu Fresnel tamién investigó'l problema de la influencia del movimientu terrestre nel espardimientu de la lluz. Básicamente'l problema consistía en determinar si esiste dalguna diferencia ente la lluz de les estrelles y la de fontes terrestres. Arago atopó esperimentalmente que (amás de l'aberración) nun había diferencia. Sobre la base d'esti descubrimientu Fresnel desenvolvió la so teoría de la conveición parcial del éter por interacción cola materia, les sos resultancies fueron confirmaos esperimentalmente en 1851 por Armand Hyppolyte. Xunto con Arago, Fresnel investigó la interferencia de rayos polarizaos y atopó en 1816 que dos rayos polarizaos perpendicularmente unu al otru, nunca interferíen. Esti fechu nun pudo ser reconciliáu cola hipótesis d'ondes llonxitudinales, qu'hasta entós se dio por segura. Young esplicó en 1817 el fenómenu col camientu d'ondes tresversales.

Fresnel intentó esplicar l'espardimientu de la lluz como ondes nun material (éter) y yá que nun fluyíu solo son posibles les oscilaciones elástiques llonxitudinales, concluyó que l'éter tenía de portase como un sólidu, pero como naquella dómina la teoría d'ondes elástiques en sólidos nun taba desenvuelta, Fresnel intentó deducir les propiedaes del éter de la observación esperimental. El so puntu de partida fueron les lleis d'espardimientu en cristales. En 1832, William Rowan Hamilton predixo a partir de les teoríes de Fresnel la denomada refraición cónica, confirmada darréu de forma esperimental por Humprey Lloyd.

Foi tamién Fresnel el qu'en 1821 dio la primer indicación de les causes de la dispersión al considerar la estructura molecular de la materia, idea desenvuelta darréu por Cauchy.

Los modelos dinámicos de los mecanismos de les vibraciones del éter, llevaron a Fresnel a deducir les lleis qu'agora lleven el so nome y que gobiernen la intensidá y polarización de los rayos lluminosos producíos pola reflexón y refraición.

La teoría del éter

En 1850 Foucault, Fizeau y Louis Breguet realizaron un esperimentu crucial pa decidir ente les teoríes ondulatorio y corpuscular. L'esperimentu foi propuestu primeramente por Arago y consiste en midir la velocidá de la lluz n'aire y agua. La teoría corpuscular esplica la refraición en términos de l'atracción de los corpúsculos lluminosos escontra'l mediu más trupu, lo qu'implica una velocidá mayor nel mediu más trupu. Per otra parte, la teoría ondulatoria implica, acordies con el principiu de Huygens que nel mediu más trupu la velocidá ye menor.

Nes décades que siguieron, desenvolvióse la teoría del éter. El primer pasu foi la formulación d'una teoría de la elasticidá de los cuerpos sólidos desenvuelta por Claude Louis Marie Henri Navier que consideró que la materia consiste d'un conxuntu de partícules exerciendo ente elles fuercies a lo llargo de les llinies que los xunen. Distintos desarrollos aplicables a la Óptica fueron realizaos por Siméon Denis Poisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman. Toes elles atopaben dificultaes por intentar esplicar el fenómenu ópticu en términos mecánicos. Por casu, al incidir sobre un mediu una onda tresversal, tendríen de producise ondes, tanto llonxitudinales como tresversales, pero, según los esperimentos de Arago y Fresnel, solo prodúcense del segundu tipu. Otra oxeción a la hipótesis del éter ye l'ausencia de resistencia al movimientu de los planetes.

Un primer pasu p'abandonar el conceutu d'éter elásticu realizar MacCullagh, que postuló un mediu con propiedaes distintes a la de los cuerpos ordinarios. Les lleis d'espardimientu d'ondes nesti tipu d'éter son similares a les ecuaciones electromagnétiques de Maxwell.

A pesar de les dificultaes, la teoría del éter elásticu persistió y recibió aportaciones de físicos del sieglu XIX, ente ellos William Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt (Lord Rayleigh) y Gustav Kirchhoff.

Les ondes lluminoses como ondes electromagnétiques

Mentanto, les investigaciones n'eletricidá y magnetismu desenvolvíense rematando nos descubrimientos de Michael Faraday. James Clerk Maxwell consiguió resumir tou la conocencia previa nesti campu nun sistema d'ecuaciones qu'establecíen la posibilidá d'ondes electromagnétiques con una velocidá que podía calculase a partir de les resultancies de midíes llétriques y magnétiques. Cuando Rudolph Kohlrausch y Wilhelm Eduard Weber realizaron estes midíes, la velocidá llograda resultó coincidir cola velocidá de la lluz. Esto llevó a Maxwell a especular que les ondes lluminoses yeren electromagnétiques, lo que se verificó esperimentalmente en 1888 por Heinrich Hertz.

La teoría cuántica

Albert Einstein

Pero, inclusive la teoría electromagnética de la lluz ye incapaz d'esplicar el procesu d'emisión y absorción. Pa ello, Einstein y otros desenvolvieron una teoría cuántica basada en fotones de lluz difractada. Esta llinia d'investigación dexó desenvolver una teoría bien verificada esperimentalmente, y que supunxo la base de la óptica cuántica tal que la conocemos anguaño.

Les lleis que rixen estos últimos procesos empezaron a resolvese con Joseph von Fraunhofer qu'afayó ente 1814-1817 llinies escures nel espectru solar. La interpretación como llinies d'absorción de les mesmes diose per primer vegada en 1861 sobre la base de los esperimentos de Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Kirchhoff. La lluz d'espectru continuu del Sol, al pasar polos gases de l'atmósfera solar, pierde por absorción, xustamente aquelles frecuencies que los gases que lo componen emiten. Esti descubrimientu marca l'entamu del analís espectral que se base en que cada elementu químicu tien un espectru de llinies característicu. L'estudiu d'estos espectros nun pertenez puramente al campu de la Óptica yá que arreya la mecánica de los mesmos átomos y les lleis de les llinies espectrales revelen información, non tantu sobre la naturaleza de la lluz como la estructura de les partícules emisores.

Finalmente la comunidá científica acabó aceptando que la mecánica clásica ye desaparente pa una descripción correuta de los sucesos qu'asoceden nel interior de los átomos y tien de ser reemplazada pola teoría cuántica. L'aplicación de la mesma dexó a Niels Bohr esplicar les lleis de les llinies espectrales de los gases. Con éses la mecánica cuántica influyó decisivamente sobre'l conceutu científicu de la naturaleza de la lluz. Foi Albert Einstein el que, basándose nos cuantos de Planck retomó la teoría corpuscular de la lluz nuna nueva forma, asignándo-y realidá física de dichos cuantos (fotones). D'esta miente pudo esplicar dellos fenómenos que s'habíen descubiertu, relativos al tresformamientu de la lluz n'enerxía corpuscular que yeren inesplicables cola teoría ondulatoria. Asina, nel efeutu fotoeléctricu la enerxía impartida a les partícules secundaries ye independiente de la intensidá y ye proporcional a la frecuencia de la lluz.

La teoría detallada de la interacción ente campu y materia rique de los métodos de la mecánica cuántica (cuantización del campu). Nel casu de la radiación electromagnético, Dirac foi'l primeru en realizalo, fundando les bases de la óptica cuántica.

La óptica de la mesma influyó decisivamente n'otros frentes de la físicasobremanera la caña de la óptica de cuerpos en movimientu participó nel desenvolvimientu de la teoría de la relatividá. El primer fenómenu reparáu nesti campu foi l'aberración de les estrelles fixes, estudiáu por James Bradley en 1728. El fenómenu apaez cola observación de les estrelles en distintes asities angulares, dependiendo del movimientu de la Tierra al respective de la direición del fexe de lluz. Bradley interpretó'l fenómenu como causáu pola velocidá finita de la lluz y pudo determinar la so velocidá d'esta miente. Otru fenómenu de la óptica de cuerpos en movimientu ye la conveición de la lluz polos cuerpos en movimientu, que Fresnel amosó podía entender como la participación d'éter nel movimientu con namái una fracción de la velocidá del cuerpu en movimientu.

Fizeau demostró dempués esta conveición esperimentalmente cola ayuda de fluxos d'agua. L'efeutu del movimientu de la fonte lluminosa foi estudiáu por Christian Doppler, que formuló'l principiu del so mesmu nome. Hertz foi'l primeru n'intentar xeneralizar les lleis de Maxwell a oxetos en movimientu. La so formulación, sicasí, entraba en conflictu con dellos esperimentos. Otru investigador nesti campu foi Hendrik Antoon Lorentz que supunxo l'éter n'estáu de reposu absolutu como portador del campu electromagnético y dedució les propiedaes de los cuerpos materiales a partir de la interacción de partícules llétriques elementales (los electrones). Pudo deducir el coeficiente de conveición de Fresnel a partir de la so teoría, según el restu de fenómenos conocíos en 1895. Sicasí cola meyora de la precisión na determinación de caminos ópticos, llograda gracies al interferómetro d'Albert Abraham Michelson col que s'afayó una anomalía: resultó imposible demostrar la esistencia d'una fana del éter riquida pola teoría del éter estacionariu. Esta anomalía foi resuelta por Albert Einstein en 1905 cola so teoría especial de la relatividá.

Óptica moderna

La óptica moderna abarca les árees de la ciencia y la inxeniería óptica que se fixeron populares nel sieglu XX. Estes árees de la ciencia óptica de normal refiérense a la electromagnética o les propiedaes cuántiques de la lluz, pero nun inclúin otres temes. Un subcampo importante de la óptica moderna, la óptica cuántica, que trata de propiedaes mecániques especialmente la cuántica de la lluz. La óptica cuántica nun ye solo teórica, dalgunos de los dispositivos modernos, como'l láser, tienen los sos principios de funcionamientu que dependen de la mecánica cuántica.

Detectores de lluz, tales como fotomultiplicadores y multiplicadores d'electrones, respuenden a fotones individuales. Sensores electrónicos d'imaxe, como los CCD de les cámares dixitales, amuesen el ruiu de disparu correspondiente a les estadístiques de los distintos eventos de fotones. Diodos emisores de lluz y célules fotovoltaiques tampoco pueden entendese ensin la mecánica cuántica. Nel estudiu d'estos dispositivos, la óptica cuántica de cutiu se superpone cola electrónica cuántica.

Árees especializaes na investigación de la óptica inclúin l'estudiu de cómo la lluz interactúa con materiales específicos como na óptica de cristal y metamateriales. Otra investigación centrar na fenomenoloxía de les ondes electromagnétiques, como n'óptica singular, la óptica ensin imáxenes, la óptica non llinial y óptica estadística, y radiometría. Amás, los inxenieros informáticos tomaron un interés na óptica integrada, la visión artificial y computación fotónica como posibles componentes de la "próxima xeneración" d'ordenadores.

Anguaño, la ciencia pura de la óptica llámase la ciencia óptica o física óptica pa estremala de les ciencies aplicaes de la óptica, que se conocen como inxeniería óptica. Subcampos destacaos de la inxeniería óptica inclúin inxeniería de llume, la fotónica y optoelectrónica, con aplicaciones práutiques como'l diseñu d'oxetivos; y la fabricación y ensayu de componentes ópticos y de procesamientu d'imáxenes. Dalgunos d'estos campos se superponen, con llendes difuses ente los términos de les temes con significaos distintos en distintos partes del mundu y en distintes árees de la industria.

Láser

Un láser ye un dispositivu qu'emite lluz (radiación electromagnético) al traviés d'un procesu conocíu como emisión aguiyada. El términu láser ye un acrónimu pa l'amplificación de lluz per emisión aguiyada de radiación. La lluz láser ye xeneralmente coherente, lo que significa que la lluz ye emitida nun fexe estrechu de baxa diverxencia, o puede convertise n'unu cola ayuda de componentes ópticos tales como lentes.

El primer láser foi demostráu'l 16 de mayu de 1960 por Theodore Maiman nel Hughes Research Laboratories. Cuando s'inventó per primer vegada, llamábase-y "una solución buscando un problema". De magar, los láser convirtiéronse nuna industria con inversiones multimillonaries, productu de la so utilidá en miles d'aplicaciones bien variaes. La primer aplicación de los láser visible na vida cotidiana de la población polo xeneral foi l'escáner de códigos de barres nos supermercaos, introducíu en 1974. El reproductor de laserdisc, introducíu en 1978, foi'l primer productu de consumu con ésitu qu'incluyó un láser, pero'l reproductor de discos compactos foi'l primer dispositivu forníu con láser que aportó a verdaderamente común nos llares de los consumidores, a partir de 1982. Estos dispositivos d'almacenaxe ópticu usen un láser de semiconductor de menos d'un milímetru d'anchu pa esplorar la superficie del discu pa la recuperación de datos. La comunicación de fibra óptica confía nel láser pa tresmitir grandes cantidaes d'información a la velocidá de lluz. Otros usos comunes del láser inclúin imprentadores de láser ya indicadores de láser. Los láser son usaos na medicina n'árees como "la ciruxía ensin sangre", la ciruxía ocular, y la microdisección de captura de láser; y n'usos militares como sistemes de defensa antimisil, contramedidas electrópticas (EOCM), y LIDAR. Los láser tamién son usaos n'hologrames, xuegos de lluces de láser, y na depilación láser

Teoríes científiques

Dende'l puntu de vista físicu, la lluz ye una onda electromagnética. Según el modelu utilizáu pa la lluz, estremar ente les siguientes cañes, por orde creciente de precisión (cada caña utiliza un modelu simplificáu del emplegáu pola siguiente):

La óptica xeométrica: Trata a la lluz como un conxuntu de rayos que cumplen el principiu de Fermat. Utilizar nel estudiu de la tresmisión de la lluz per medios homoxéneos (lentes, espeyos), la reflexón y la refraición.

La óptica electromagnética o óptica física: Considera a la lluz como una onda electromagnética, esplicando asina la difracción, interferencia, reflectancia y transmitancia, y los fenómenos de polarización y anisotropía.

La óptica cuántica: Estudiu cuánticu de la interacción ente les ondes electromagnétiques y la materia, nel que la dualidá onda-corpúsculu desempeña un papel crucial.

Espectru electromagnéticu

Magar la Óptica empecipióse como una caña de la física distinta del electromagnetismu na actualidá sábese que la lluz visible parte del espectru electromagnéticu, que nun ye más que'l conxuntu de toles frecuencies de vibración de les ondes electromagnétiques. Los colores visibles al güeyu humanu arrexuntar na parte del "Espectru visible".