ÒPTICA FÍSICA: HISTÒRIA, TERMES FREQÜENTS, LLEIS, APLICACIONS - FÍSICA - 2025

La òptica física és la part de l'òptica que estudia la naturalesa ondulatòria de la llum i els fenòmens físics que només es comprenen a partir d'el model ondulatori. També estudia els fenòmens d'interferència, polarització, difracció i altres fenòmens que no es poden explicar des de l'òptica geomètrica.

El model ondulatori defineix la llum com una ona electromagnètica els camps elèctrics i magnètics oscil·len perpendicularment entre si.

ona electromagnètica

El camp elèctric (E) de l'ona de llum es comporten de manera similar al seu camp magnètic (B), però predomina el camp elèctric sobre el magnètic per la relació de Maxwell (1831-1879) que estableix el següent:

On c = Velocitat de propagació de l'ona.

L'òptica física no explica l'espectre d'absorció i emissió dels àtoms. En canvi, l'òptica quàntica si aborda l'estudi d'aquests fenòmens físics.

història

La història de l'òptica física comença amb els experiments realitzats per Grimaldi (1613-1663), qui va observar que l'ombra projectada per un objecte il·luminat es mostrava més ampla i estava envoltada per franges de colors.

A el fenomen observat el va cridar difracció. El seu treball experimental el va conduir a plantejar la naturalesa ondulatòria de la llum, en oposició a la concepció d'Isaac Newton que va predominar durant el segle XVIII.

El paradigma newtonià establia que la llum es comportava com un raig de petits corpuscles que es desplaçaven a gran velocitat en trajectòries rectilínies.

Robert Hooke (1635-1703) va defensar la naturalesa ondulatòria de la llum, en els seus estudis sobre el color i la refracció, plantejant que la llum es comportava com una ona de so propagant ràpidament de forma gairebé instantània a través d'un medi material.

Més tard Huygens (1629-1695), fonamentant-se en les idees de Hooke, va consolidar la teoria ondulatòria de la llum en el seu Traité de la lumière (1690) en el qual suposa que les ones de llum que emeten els cossos lluminosos es propaguen a través d'un mitjà subtil i elàstic anomenat èter.

La teoria ondulatòria de Huygens explica els fenòmens de reflexió, refracció i difracció molt millor que la teoria corpuscular de Newton, i demostra que la velocitat de la llum disminueix a el passar d'un medi menys dens a un més dens.

Les idees de Huygens no van ser acceptades pels científics de l'època per dues raons. La primera va ser la impossibilitat d'explicar satisfactòriament la definició d'èter, i la segona va ser el prestigi de Newton entorn de la seva teoria sobre la mecànica que va influir en una àmplia majoria dels científics perquè decidissin donar suport al paradigma corpuscular de la llum.

Renaixement de la teoria ondulatòria

A principis de segle XIX, Tomas Young (1773-1829) aconsegueix que la comunitat científica accepti el model ondulatori de Huygens a partir dels resultats del seu experiment d'interferència de la llum. L'experiment va permetre determinar les longituds d'ona dels diferents colors.

En 1818 Fresnell (1788-1827) va replantejar la teoria ondulatòria de Huygens en funció del principi d'interferència. A més va explicar el fenomen de birefringència de la llum, que li va permetre afirmar que la llum és una ona transversal.

En 1808 Arago (1788-1853) i Malus (1775-1812) van explicar el fenomen de polarització de la llum a partir de el model ondulatori.

Els resultats experimentals de Fizeau (1819-1896) en 1849 i Foucalt (1819-1868) en 1862 van permetre comprovar que la llum es propaga més ràpid en l'aire que en l'aigua, contradient l'explicació donada per Newton.

El 1872, Maxwell publica el seu Tractat sobre Electricitat i Magnetisme, en el qual enuncia les equacions que sintetitzen l'electromagnetisme. A partir de les seues equacions va obtenir l'equació d'ona que va permetre analitzar el comportament d'una ona electromagnètica.

Maxwell va trobar que la velocitat de propagació d'una ona electromagnètica es relaciona amb el medi de propagació i coincideix amb la velocitat de la llum, arribant a la conclusió que la llum és una ona electromagnètica.

Finalment, Hertz (1857-1894) en 1888 aconsegueix produir i detectar les ones electromagnètiques i confirma que la llum és un tipus d'ona electromagnètica.

Què estudia l'òptica física?

L'òptica física estudia els fenòmens relacionats amb la naturalesa ondulatòria de la llum, com ara interferència, difracció i polarització.

interferència

La interferència és el fenomen mitjançant el qual dues o més ones de llum es superposen coexistint en una mateixa regió de l'espai, formant bandes de llum brillant i fosca.

Les bandes brillants es produeixen quan diverses ones se sumen per produir una ona de més amplitud. Aquest tipus d'interferència es diu interferència constructiva.

Quan les ones es superposen per produir una ona de menor amplitud la interferència es diu interferència destructiva, i es produeixen bandes de llum fosca.

interferència

La forma com es distribueixen les bandes de colors es diu patró d'interferència. La interferència es pot observar en les bombolles de sabó oa les capes d'oli d'una carretera mullada.

difracció

El fenomen de difracció és el canvi en la direcció de propagació que experimenta l'ona lluminosa a l'incidir en un obstacle o obertura alterant la seva amplitud i la seva fase.

A l'igual que el fenomen d'interferència, la difracció és el resultat de la superposició d'ones coherents. Dos o més ones de llum són coherents quan oscil·len amb la mateixa freqüència mantenint una relació de fase constant.

A mesura que l'obstacle és cada vegada més petit en comparació amb la longitud d'ona, el fenomen de difracció predomina sobre el fenomen de reflexió i refracció en la determinació de la distribució dels raigs de l'ona lluminosa una vegada que incideix sobre l'obstacle.

polarització

La polarització és el fenomen físic mitjançant el qual l'ona vibra en una sola direcció perpendicular a el plànol que conté el camp elèctric. Si l'ona no té una direcció fixa de propagació es diu que l'ona no està polaritzada. Hi ha tres tipus de polarització: polarització lineal, polarització circular i polarització el·líptica.

Si l'ona vibra paral·lela a una línia fixa descrivint una línia recta en el pla de polarització, es diu que està polaritzada linealment.

Quan el vector camp elèctric de l'ona descriu un cercle en el pla perpendicular a una mateixa direcció de propagació, mantenint constant la seva magnitud, es diu que l'ona està polaritzada circularment.

Si el vector camp elèctric de l'ona descriu una el·lipse en el pla perpendicular a una mateixa direcció de propagació es diu que l'ona està polaritzada el·lípticament.

Termes freqüents en òptica física

polaritzador

És un filtre que permet que només una part de la llum que s'orienta en una sola direcció específica passi a través d'ell sense deixar passar aquelles ones que s'orienten en altres direccions.

Front d'ona

És la superfície geomètrica en la qual totes les parts d'una ona tenen la mateixa fase.

Amplitud i fase de l'ona

L'amplitud és la màxima elongació d'una ona. La fase d'una ona és l'estat de vibració en un instant de temps. Dues ones estan en fase quan tenen el mateix estat de vibració.

Angle de Brewster

És l'angle d'incidència de la llum mitjançant el qual l'ona de llum reflectida de la font està completament polaritzada.

infraroig

Llum no visible per l'ull humà en l'espectre de radiació electromagnètica de 700 nm a 1000 micres.

Velocitat de la llum

És una constant de velocitat de propagació de l'ona lluminosa en el buit el valor es 3 × 10 ⁸ m / s. El valor de la velocitat de la llum varia quan es propaga en un medi material.

Longitud d'ona

Mesura de la distància que hi ha entre una cresta i una altra cresta o entre una vall i una altra vall de l'ona a l'propagar-se.

ultraviolada

Radiació electromagnètica no visible amb espectre de longituds d'ona menors de 400 nm.

Lleis de l'òptica física

A continuació s'esmenten algunes lleis de l'òptica física que descriuen els fenòmens de polarització i interferència

Lleis de Fresnell i Arago

1. Dues ones de llum amb polaritzacions lineals, coherents i ortogonals no interfereixen entre si per formar un patró d'interferència.

2. Dues ones de llum amb polaritzacions lineals, coherents i paral·leles poden interferir en una regió de l'espai.

3. Dues ones de llum natural amb polaritzacions lineals, no coherents i ortogonals no interfereixen entre si per formar un patró d'interferència.

Llei de Malus

La Llei de Malus estableix que la intensitat de llum transmesa per un polaritzador és directament proporcional a el quadrat de l'cosinus de l'angle que forma l'eix de transmissió de l'polaritzador i l'eix de polarització de la llum incident. En altres paraules:

I = I ntensidad de llum transmesa pel polaritzador

θ = Angle entre l'eix de transmissió i eix de polarització de el feix incident

I ₀ = Intensitat de llum incident

Llei de Malus

Llei de Brewster

El feix de llum reflectit per una superfície està completament polaritzat, en la direcció normal a mapa de la incidència de la llum, quan l'angle que forma el feix reflectit amb el feix refractat és igual a 90 °.

Llei de Brewster

aplicacions

Algunes de les aplicacions de l'òptica física es troben en l'estudi dels cristalls líquids, en el disseny de sistemes òptics i en la metrologia òptica.

cristalls líquids

Els cristalls líquids són materials que es mantenen entre l'estat sòlid i l'estat líquid, les molècules posseeixen un moment dipolar que indueix una polarització de la llum que incideix sobre ells. A partir d'aquesta propietat s'han desenvolupat pantalles de calculadores, monitors, ordinadors portàtils i telèfons mòbils.

Rellotge digital amb pantalla de cristall líquid (LCD)

Disseny de sistemes òptics

Sovint, els sistemes òptics s'utilitzen en la vida quotidiana, en la ciència, en la tecnologia i en la salut. Els sistemes òptics permeten processar, registrar i transmetre informació de fonts de llum tals com el sol, el LED, el llum de tungstè o el làser. Exemples de sistemes òptics són el difractòmetre i l'interferòmetre.

Metrologia òptica

S'encarrega de realitzar mesuraments d'alta resolució de paràmetres físics fonamentant-se en l'ona lluminosa. Aquests mesuraments es realitzen amb interferòmetres i instruments de refracció. A l'àrea mèdica, la metrologia s'usa per a realitzar el monitoratge constant dels signes vitals dels pacients.

Investigacions recents en Òptica Física

Efecte Kerker optomecánico (AV Poshakinskiy1 i AN Poddubny 15 de gener de al 2019)

Poshakinskiy i Poddubny (1) van demostrar que partícules nanomètriques amb moviment vibratori poden manifestar un efecte òptic-mecànic semblant a l'proposat per Kerker et a l'(2) ​​el 1983.

L'efecte Kerker és un fenomen òptic que consisteix en l'obtenció d'una direccionalitat fort de la llum dispersada per partícules esfèriques magnètiques. Aquesta direccionalitat requereix que les partícules tinguin respostes magnètiques de la mateixa intensitat que les forces elèctriques.

L'efecte Kerker és una proposta teòrica que requereix de partícules materials amb característiques magnètiques i elèctriques que actualment no existeixen en la naturalesa Poshakinskiy i Poddubny van aconseguir el mateix efecte en partícules nanomètriques, sense resposta magnètica significativa, que vibren en l'espai.

Els autors van demostrar que les vibracions de la partícula poden crear polaritzacions magnètiques i elèctriques que interfereixen de manera apropiada, a causa que s'indueix a la partícula components de polaritat magnètica i elèctrica de el mateix ordre de magnitud quan es considera la dispersió inelàstica de la llum.

Els autors proposen l'aplicació de l'efecte òptic-mecànic en dispositius òptics nanomètrics a l'fer-los vibrar per l'aplicació d'ones acústiques.

Comunicació òptica extracorporal (DR Dhatchayeny i IH Chung, maig de 2019)

Dhatchayeny i Chung (3) proposen un sistema experimental de comunicació òptica extracorporal (OEBC) que pot transmetre informació de signes vitals de les persones a través d'aplicacions en telèfons mòbils amb tecnologia Android. El sistema consisteix en un conjunt de sensors i un concentrador de díodes (arranjament LED).

Els sensors es col·loquen en diverses parts de el cos per detectar, processar i comunicar signes vitals com el pols, la temperatura corporal i la freqüència respiratòria. Les dades es recopilen mitjançant l'arranjament LED i es transmeten a través de la càmera de el telèfon mòbil amb l'aplicació òptica.

L'arranjament LED emet llum en el rang de longituds d'ona de dispersió Rayleigh Gans Debye (RGB). Cada color i combinacions de colors de la llum emesa es relacionen amb els signes vitals.

El sistema proposat pels autors pot facilitar el monitoratge dels signes vitals de forma fiable, atès que els errors en els resultats experimentals van ser mínims.

referències

1. Optomechanical Kerker Effect. Poshakinskiy, AV i Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pàg. 2160-3308.
2. Electromagnetic scattering by magnetic spheres. Kerker, M, Wang, DS i Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol. 73.
3. Optical extra-body communication using telèfon intel·ligent càmeres for human vital sign transmission. Dhatchayeny, D i Chung, I. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
4. A el-Azzawi, A. Physical Optics Principles and Practices. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guinness, I. Companion Encyclopedia of the History and Philosophyof the Mathematical Sciences. New York, US: Routledge, 1994, Vol. II.
6. Akhmanov, SA i Nikitin, S Yu. Physical Optics. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG i Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Physical Optics. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA i White, H E. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.