Universidad Abierta a Distancia de México Física I “Introducción a la Física”Actividad 4 “Observando a mi alrededor”Tema “La Óptica”Fabián Pérez CórdovaAL10520151

La óptica

Características

La óptica se encuentra dentro de las ramas de la Física teórico-experimental, es la parte de la física que se encarga del estudio e la luz. Es la ciencia de la luz, es decir del rango de longitudes de onda electromagnética que pueden ser percibidas por el ojo humano y en rangos cerca de 380 y 780 nm, hasta 244 nm por un extremo UV cercano y 1600 nm por el otro IR cercano. la óptica también tiene que ver con la generación, propagación, interacción y detección de la luz.

La óptica se clasifica en dos grupos, la óptica básica y la fotónica. La óptica básica se encarga de estudiar los fenómenos fundamentales, como la propagación de la luz de un medio a otro, la polarización, la difracción y la coherencia de la luz. La fotonica se refieres al estudio de fenómenos mas complejos de la óptica, en la fotonica se entrelazan fenómenos básicos y complejos de la óptica. El estudio de la fotonica concierne al estudio de los láseres, amplificadores ópticos, holografía, fibras ópticas, cristales especiales, electroóptica, acustoóptica, óptica estadística, óptica cuántica. Los temas que se analizan dentro de la fotonica llevan a la creación de nuevas tecnologías en comunicación, sensores y computación.

Por otro lado también podemos decir que la óptica es una disciplina científica derivada de la física, encargada del estudio de la luz y sus distintos fenómenos que son de gran interés para la física. Estos fenómenos son de mucho interés porque los resultados de muchos experimentos se manifiestan por medio del sentido de la vista como fenómenos de colores. Igual de importante y de interés en cada detalle en el desarrollo histórico y el descubrimiento de los diferentes principios, conceptos y propiedades de la luz que dan origen a esos fenómenos.

Los numerosos experimentos se pueden agrupara juntos y clasificar uno de los tres siguientes títulos:

Óptica Geométrica. Propagación de la luz, velocidad infinita y reflexión.

Óptica Física. Difracción, interferencia, polarización y doble refracción.

Óptica cuántica. Efecto fotoeléctrico, efecto compton, excitación atómica y producción de pares.

Aplicaciones de la óptica en el ámbito del desarrollo tecnológico

El reciente desarrollo y crecimiento de la óptica ha tenido como consecuencia novedosas aplicaciones en toda actividad, podemos ver a grandes rasgos su aplicación en las áreas de instrumentación óptica, comunicaciones ópticas, metrología óptica y la óptica de frontera.

Instrumentación Óptica: Se incluye el estudio y diseño de elementos, y sistemas ópticos que se utilizan principalmente para colectar imágenes. Como ejemplo de ello podemos citar: lentes, prismas, espejos, microscopios, telescopios, etc. Los temas relacionados con la instrumentación óptica son: trazo de rayos, aberraciones, análisis de Fourier, difracción etc.

Comunicaciones Ópticas: En este grupo de aplicaciones se utiliza a la luz como portadora de información y se usan sistemas ópticos para la transmisión y recepción de señales. Los temas relacionados con esta área de aplicaciones son: cristales especiales, fibras ópticas, detectores, fuentes de luz (láseres), procesamiento de señales, holografía, óptica no lineal, entre otros. Una aplicación importante de la óptica en comunicaciones, es el empleo de fibra óptica para el envió de información a través de lo que conocemos como "internet".

Metrología Óptica: Tienen que ver con el monitoreo de parámetros físicos, usando sistemas y métodos de no contacto, utilizando luz, lo cual lleva a realizar pruebas no destructivas. Los temas relacionados con este polo de aplicaciones son: sistemas ópticos, polarización, interferencia, emisión de la luz, detectores de luz, procesamiento

de imágenes, etc. La metrología óptica ha tenido un gran impacto en la solución de problemas industriales y de ingeniería, igualmente se han implementado técnicas de monitoreo en el área médica.

Óptica de Frontera: Investiga fenómenos relacionados con radiación luminosa de alta potencia, la rápida detección y transmisión de información generada con luz, nuevos materiales ópticos, fuentes de radiación y detección luminosa, Temas relacionados: coherencia, óptica cuántica, fibras fotónicas, óptica no lineal, etc. Las aplicaciones derivadas de estos estudios se reflejan en la aparición de nuevos tipos de láseres o bien en el perfeccionamiento de los ya existentes. Estas investigaciones también

permiten el empleo de nuevos materiales para aplicaciones diversas como en las comunicaciones y sensores ópticos. La comprensión de nuevos fenómenos en este campo son empleados para mejorar la solución de algunos problemas ya existentes y para solucionar algunos otros que habían sido considerados con anterioridad.

En general, las aplicaciones más sobresalientes de estas cuatro áreas se manifiestan en la industria, la medicina, la biología, las comunicaciones, monitoreo ambiental, entre muchas otras.

En otras aplicaciones de la óptica encontramos la tomografía moderna, ya que involucran la proyección de datos provenientes de múltiples direcciones y el envío de datos para la creación de una reconstrucción tomografica a partir de un algoritmo de software procesado por ordenador. En este tipo de aplicación se aplica el término imagen en volumen que en la mayoría de los casos clínicos de rutina se requiere una salida en dos dimensiones. Por lo que decisiones clínicas dependen de técnicas avanzadas de visualización volumétrica en los que los términos tomografía y tomo grama podrían llegar a caer en desuso.

Otro uso importante son los rayos X que son energía electromagnética invisible, la cual es utilizada como una manera para obtener o sacar imágenes internas en los tejidos, huesos y órganos de nuestro cuerpo u organismo.

Aplicación de uso cotidiano de la óptica

Dentro de las aplicaciones de uso cotidiano de la óptica encontramos la elaboración de anteojos, los anteojos se utilizan para corregir imperfecciones o daños en el ojo humano, ayudan a mejorar la visión en sus diferentes aspectos. Para ejemplificarlo veamos a continuación las características del ojo humano.

Algunos de los aspectos de los más notables de los instrumentos ópticos, el ojo humano. Un ojo es, en un principio, una cámara excepcionalmente fina, con un sistema de lentes perfeccionados de un lado y una pantalla sensible o película fotográfica llamada retina en el otro.Cuando la luz de un objeto distante a traviesa el sistema de lentes del ojo, es refractada y enfocada sobre la retina, allí se forma una imagen real pero invertida del objeto. El hecho más asombroso es que mientras todas las imágenes retínales están invertidas, como se muestra en la figura 330, sean interpretadas como si estuvieran derechas.

Acomodación es la capacidad de los ojos de enfocar los objetos cercanos y distantes.En el ojo humano, el enfocado se consigue cambiando la forma del cristalino. Eso se ejecuta por un sistema muy complicado de ligamentos y músculos. Debido a la tensión que existe entre la capsula de la lente el cristalino, si está completamente libre, tendera a tomar la forma esférica. El borde de la lente está rodeada por el musculo ciliar, que al contraerse, causa que la lente se engruese. Esto reduce la distancia focal de la lente, tendiendo a aplanarla. Bajo estas condiciones la distancia focal aumenta enfocando sobre la retina los objetos distantes. Este es el proceso de acomodación.El ojo normal está más relajado cuando se enfoca para rayos luminosos paralelos, o sea, para objetos distantes. Pero para estudiar objeto en detalle, debe acercarse al ojo, la razón de esto es que cuando más cerca está el objeto del ojo, mayor será la imagen formada sobre la retina.

El cristalino corresponde a una lente convergente y que en la retina se forma una imagen real e invertida de las cosas que vemos. Es importante darse cuenta de que podemos ver cosas distantes y cercanas. Las más cercanas las podemos enfocar bien

cuando se hallan a poco más de 15 centímetros y las más lejanas a varios cientos de metros, dependiendo de las condiciones de visibilidad del aire. Esto significa que, para que la imagen quede correctamente enfocada en la retina, el cristalino debe cambiar su distancia focal. Ello lo consigue cambiando su curvatura por medio de los ligamientos. Como se indica en la siguiente figura, si lo que miramos está cerca, el cristalino reduce su distancia focal haciéndose más grueso en el centro (a) y a la inversa si el objeto está lejos (b).

Al ojo lo afectan muchas enfermedades, pero las más frecuentes consisten en la dificultad para enfocar correctamente las imágenes en la retina. Un caso es el de la miopía, en que la imagen se forma antes de la retina; y el otro caso es el de la hipermetropía, en que se forma después. Afortunadamente, ambos casos se corrigen muy fácilmente por medio de los anteojos. En el primer caso basta anteponer al ojo una lente divergente (a) y en el segundo, una lente convergente (b), según se indica en la siguiente figura.

Experimento en el que se aplica un principio físico de la óptica

El experimento “Crucis” de Newton

Newton había encontrado ya que la luz blanca es una luz compuesta, pero deseaba demostrar de una forma indiscutible que los colores que emergían del prisma no eran modificaciones de la luz blanca, como sugerían sus adversarios científicos. Para conseguirlo ideó un experimento crucis o experimento crucial que consistía, en esencia, en someter a cada uno de los colores obtenidos por la acción de un primer prisma, a un segundo primas y comprobar por una parte que no podía descomponerse más y por otra su diferente comportamiento en cuanto al grado de desviación sufrida por efecto del prisma. Newton resume sus resultados en los siguientes términos, “En primer lugar descubrí que los rayos que son más refractados que otros de la misma incidencia exhiben colores purpuras y violetas, mientras que aquellos que exhiben el rojo son menos refractados y los azules, verdes y amarillos poseen refracciones intermedias. En segundo y a la inversa descubrí que rayos de igual incidencia son gradualmente más y más refractados según su disposición a exhibir colores en este orden: rojo, amarillo, verde, azul y violeta con todos sus colores intermedios.

Conclusiones

como hemos sabido desde hace tiempo la óptica ha estado siempre presente y su evolución va desde los inicios de la ciencia, sabemos que es una rama de la física y que está estrechamente relacionada con distintas áreas de la investigación de la propia física, sus avances y contribuciones ya son imprescindibles para la vida cotidiana.

Fuente de consulta

H.H. Cerecedo Núñez y P. Padilla Sosa.Facultad de Física e Inteligencia Artificial, Universidad Veracruzana

Referencias

[1] http://ehs.uky.edu/classes/laser/lastrain.html

[2] OE Magazine. Monthly Publication of SPIE, Abril 2002.

[3] Edmund Industrial Optics: Optics and Optical Instruments Catalogo 2003

[4] The Newport Resource 2003 (Catalog)

[5] Revista: Photonics Spectra, Laurin Publishing Company, 2002-2003

[6] Revista: Biophotonics International, Laurin Publishing Company, 2002-2003.

[7] Revista: Laser Focus World, PennWell Corporation, 2002-2003.

[8] E. Hecht y A. Zajac, Optica, Addison-Wesley Iberoamericana 1986.

[9] B.E.A. Saleh y M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley and Sons, 1991.