- 1. INTRODUCCION EN ESTE TRABAJO HABLAREMOS SOBRE LOQUE ES
OPTICA Y LAS DIFERENTES TEORIASQUE EXISTEN SOBRE ESTA. Y LA
RELACION QUE TIENE LA OPTICA CON ELELECTROMAGNETISMO.
2. OPTICA En la Edad Antigua se conoca la propagacin rectilnea
de la luz y la reflexin y refraccin. Dos filsofos y matemticos
griegos escribieron tratados sobre ptica: Empdocles y Euclides. 3.
Ya en la Edad Moderna Ren Descartes consideraba la luz como una
onda de presin transmitida a travs de un medio elstico perfecto (el
ter) que llenaba el espacio. Atribuy los diferentes colores a
movimientos rotatorios de diferentes velocidades de las partculas
en el medio 4. La ley de la refraccin fuedescubierta
experimentalmente en1621 por Willebrord Snell. En 1657Pierre de
Fermat anunci elprincipio del tiempo mnimo y apartir de l dedujo la
ley de larefraccin 5. En la refraccin el rayo de luz que se
atraviesa de un medio transparente a otro, se denomina rayo
incidente; el rayo de luz que se desva al ingresar al segundo medio
transpartente se denomina rayo refractado; el ngulo en que el rayo
incidente, al ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular
al mismo, se denomina ngulo de incidencia; el ngulo que el rayo
incidente forma con el rayo refractado, al desviarse, se denomina
ngulo de refraccin. 6. Robert Boyle y Robert Hooke y a dichateora
la propuso Isaac Newton, los dems descubrieron, de
formaindependiente, el fenmeno de lainterferencia conocido como
anillos de Newton. Hooke tambin observ lapresencia de luz en la
sombra geomtrica, debido a ladifraccin, fenmeno que ya haba
sidodescubierto por Francesco MariaGrimaldi 7. . Hooke pensaba que
la luzconsista en vibracionespropagadas instantneamente agran
velocidad y crea que en unmedio homogneo cada vibracingeneraba una
esfera que crece deforma regular. Con estasideas, Hooke intent
explicar elfenmeno de la refraccin einterpretar los colores. 8. Sin
embargo, los estudios queaclararon las propiedades de loscolores
fueron desarrollados porNewton que descubri en 1666 quela luz
blanca puede dividirse en suscolores componentes mediante unprisma
y encontr que cada colorpuro se caracteriza por unarefractabilidad
especfica. 9. Las dificultades que la teoraondulatoria se
encontraba paraexplicar la propagacin rectilneade la luz y la
polarizacin(descubierta por Huygens)llevaron a Newton a inclinarse
porla teora corpuscular, que suponeque la luz se propaga desde
loscuerpos luminosos en forma departculas. 10. Dispersin de la luz
en dos prismas de distintomaterial. 11. En la poca en que Newton
public su teora del color, no se conoca si la luz se propagaba
instantneamente o no. El descubrimiento de la velocidad finita de
la luz lo realiz en 1675 Olaf Roemer a partir de observaciones de
los eclipses de Jpiter. 12. Primeras teoras y otrosfenmenos Por su
parte, Hooke fue de los primeros defensores de la teora ondulatoria
que fue extendida y mejorada por Christian Huygens que enunci el
principio que lleva su nombre, segn el cual cada punto perturbado
por una onda puede considerarse como el centro de una nueva onda
secundaria, la envolvente de estas ondas secundarias define el
frente de onda en un tiempo posterior. Con la ayuda de este
principio, consigui deducir las leyes de la reflexin y refraccin.
13. Tambin pudo interpretar la doble refraccin del espato
deIslandia, fenmeno descubierto en1669 por Erasmus Bartholinus,
gracias a la suposicin de la transmisin de una onda secundaria
elipsoidal, adems de la principal de forma esfrica. 14. Durante
esta investigacin Huygens descubri la polarizacin. Cada uno de los
dos rayos emergentes de la refraccin del espato de Islandia puede
extinguirse hacindolo pasar por un segundo cristal del mismo
material, rotado alrededor de un eje con la misma direccin que el
rayo luminoso. 15. Fue sin embargo Newton el que consigui
interpretar este fenmeno, suponiendo que los rayos tenan lados,
propiedad que le pareci una objecin insuperable para la teora
ondulatoria de la luz, ya que en aquella poca los cientficos slo
estaban familiarizados con las ondas longitudinales. 16. El
prestigio de Newton, indujo el rechazo por parte de la comunidad
cientfica de la teora ondulatoria, durante casi un siglo, con
algunas excepciones, como la de Leonhard Euler. No fue hasta el
comienzo del Siglo XIX en que nuevos progresos llevaron a la
aceptacin generalizada de la teora ondulatoria. 17. El primero de
ellos fue la enunciacin por Thomas Young en 1801, del principio de
interferencia y la explicacin de los colores de pelculas delgadas.
Sin embargo, como fueron expresadas en trminos cualitativos no
consiguieron reconocimiento generalizado. En esta misma poca
tienne-Louis Malus describi la polarizacin por reflexin, 18. en
1808 observ la reflexin del Sol desde una ventana a travs de un
cristal de espato de Islandia y encontr que las dos imgenes
birrefringentes variaban sus intensidades relativas al rotar el
cristal, aunque Malus no intent interpretar el fenmeno. 19. Aportes
de Fresnel Augustin-Jean Fresnel gan un premio instituido en 1818
por la academia de Pars por la explicacin de la difraccin, basndose
en la teora ondulatoria, que fue la primera de una serie de
investigaciones que, en el curso de algunos aos, terminaron por
desacreditar completamente la teora corpuscular. 20. Los principios
bsicos utilizados fueron: el principio de Huygens y el de
interferencia de Young, los cuales, segn demostr Fresnel, son
suficientes para explicar, no slo la propagacin rectilnea, sino las
desviaciones de dicho comportamiento (como la difraccin). 21.
Fresnel calcul la difraccin causada por rendijas, pequeas aperturas
y pantallas. Una confirmacin experimental de su teora de la
difraccin fue la verificacin realizada por Franois Jean Dominique
Arago de una prediccin de Poisson a partir de las teoras de
Fresnel, que es la existencia de una mancha brillante en el centro
de la sombra de un disco circular pequeo. 22. En el mismo ao
Fresnel tambin investig el problema de la influencia del movimiento
terrestre en la propagacin de la luz. Bsicamente el problema
consista en determinar si existe alguna diferencia entre la luz de
las estrellas y la de fuentes terrestres 23. Arago encontr
experimentalmente que (aparte de la aberracin) no haba diferencia.
Sobre la base de este descubrimiento Fresnel desarroll su teora de
la conveccin parcial del ter por interaccin con la materia, sus
resultados fueron confirmados experimentalmente en 1851 por Armand
Hyppolyte. 24. Junto con Arago, Fresnel investig la interferencia
de rayos polarizados y encontr en 1816 que dos rayos polarizados
perpendicularmente uno al otro, nunca interferan. Este hecho no
pudo ser reconciliado con la hiptesis de ondas longitudinales, 25.
que hasta entonces se haba dadopor segura. Young explic en 1817 el
fenmeno con la suposicin de ondas transversales. 26. Fresnel intent
explicar la propagacin de la luz como ondas en un material (ter) y
dado que en un fluido slo son posibles las oscilaciones elsticas
longitudinales, concluy que el ter deba comportarse como un slido,
pero como en aquella poca la teora de ondas elsticas en slidos no
estaba desarrollada 27. Fresnel intent deducir las propiedades del
ter de la observacin experimental. Su punto de partida fueron las
leyes de propagacin en cristales. En 1832, William Rowan Hamilton
predijo a partir de las teoras de Fresnel la denominada refraccin
cnica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey
Lloyd 28. Fue tambin Fresnel el que en 1821 dio la primera
indicacin de las causas de la dispersin al considerar la estructura
molecular de la materia, idea desarrollada posteriormente por
Cauchy. 29. Los modelos dinmicos de los mecanismos de las
vibraciones del ter, llevaron a Fresnel a deducir las leyes que
ahora llevan su nombre y que gobiernan la intensidad y polarizacin
de los rayos luminosos producidos por la reflexin y refraccin. 30.
La teora del ter En 1850 Foucault, Fizeau y Breguet realizaron un
experimento crucial para decidir entre las teoras ondulatoria y
corpuscular. El experimento fue propuesto inicialmente por Arago y
consiste en medir la velocidad de la luz en aire y agua. 31. La
teora corpuscular explica la refraccin en trminos de la atraccin de
los corpsculos luminosos hacia el medio ms denso, lo que implica
una velocidad mayor en el medio ms denso. 32. Por otra parte, la
teora ondulatoriaimplica, de acuerdo con el principio deHuygens que
en el medio ms densola velocidad es menor. En las dcadas que
siguieron, sedesarroll la teora del ter. 33. El primer paso fue la
formulacin de una teora de la elasticidad de los cuerpos slidos
desarrollada por Claude Louis Marie Henri Navier que consider que
la materia consiste de un conjunto de partculas ejerciendo entre
ellas fuerzas a lo largo de las lneas que los unen. 34. Diferentes
desarrollos aplicables a la ptica fueron realizados por Simon Denis
Poisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman. Todas ellas
encontraban dificultades por intentar explicar el fenmeno ptico en
trminos mecnicos. 35. Por ejemplo, al incidir sobre un medio una
onda transversal, se deberan producir ondas, tanto longitudinales
como transversales, pero, segn los experimentos de Arago y Fresnel,
solo se producen del segundo tipo. Otra objecin a la hiptesis del
ter es la ausencia de resistencia al movimiento de los planetas.
36. Un primer paso para abandonar el concepto de ter elstico lo
realiz MacCullagh, que postul un medio con propiedades diferentes a
la de los cuerpos ordinarios. Las leyes de propagacin de ondas en
este tipo de ter son similares a las ecuaciones electromagnticas de
Maxwell. 37. A pesar de las dificultades, la teora del ter elstico
persisti y recibi aportaciones de fsicos del siglo XIX, entre ellos
William Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt
(Lord Rayleigh) y Gustav Kirchhoff. 38. electromagnticas Mientras
tanto, las investigaciones en electricidad y magnetismo se
desarrollaban culminando en los descubrimientos de Michael Faraday.
James Clerk Maxwell consigui resumir todo el conocimiento previo en
este campo en un sistema de ecuaciones que establecan la
posibilidad de ondas electromagnticas con una velocidad que poda
calcularse a partir de los resultados de medidas elctricas y
magnticas 39. Cuando Rudolph Kohlrausch y Wilhelm Eduard Weber
realizaron estas medidas, la velocidad obtenida result coincidir
con la velocidad de la luz. Esto llev a Maxwell a especular que las
ondas luminosas eran electromagnticas, lo que se verific
experimentalmente en 1888 por Heinrich Hertz. 40. La teora cuntica
Pero, incluso la teora electromagntica de la luz es incapaz de
explicar el proceso de emisin y absorcin. Para ello, Einstein y
otros desarollaron una teora cuntica basada en fotones de luz
difractada. 41. Esta lnea de investigacin ha permitido desarrollar
una teora bien verificada experimentalmente, y que ha supuesto la
base de la ptica cuntica tal y como la conocemos hoy en da. 42. Las
leyes que rigen estos ltimos procesos comenzaron a dilucidarse con
Joseph von Fraunhofer que descubri entre 1814-1817 lneas oscuras en
el espectro solar. La interpretacin como lneas de absorcin de las
mismas se dio por primera vez en 1861 sobre la base de los
experimentos de Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Kirchhoff. 43. La
luz de espectro continuo del Sol, al pasar por los gases de la
atmsfera solar, pierde por absorcin, justamente aquellas
frecuencias que los gases que la componen emiten. Este
descubrimiento marca el inicio del anlisis espectral que se base en
que cada elemento qumico tiene un espectro de lneas caracterstico.
44. El estudio de estos espectros no pertenece exclusivamente al
campo de la ptica ya que involucra la mecnica de los propios tomos
y las leyes de las lneas espectrales revelan informacin, no tanto
sobre la naturaleza de la luz como la estructura de las partculas
emisoras. 45. Finalmente la comunidad cientfica acab aceptando que
la mecnica clsica es inadecuada para una descripcin correcta de los
sucesos que ocurren en el interior de los tomos y debe ser
reemplazada por la teora cuntica. La aplicacin de la misma permiti
a Niels Bohr explicar las leyes de las lneas espectrales de los
gases. 46. As pues, la mecnica cuntica ha influido decisivamente
sobre el concepto cientfico de la naturaleza de la luz. Fue Albert
Einstein el que, basndose en los cuantos de Planck retom la teora
corpuscular de la luz en una nueva forma, asignndole realidad fsica
de dichos cuantos (fotones). 47. De este modo pudo explicar algunos
fenmenos que se haban descubierto, relativos a la transformacin de
la luz en energa corpuscular que eran inexplicables con la teora
ondulatoria. As, en el efecto fotoelctrico la energa impartida a
las partculas secundarias es independiente de la intensidad y es
proporcional a la frecuencia de la luz. 48. La teora detallada de
la interaccin entre campo y materia requiere de los mtodos de la
mecnica cuntica (cuantizacin del campo). En el caso de la radiacin
electromagntica, Dirac fue el primero en realizarlo, fundando las
bases de la ptica cuntica. 49. La ptica a su vez ha influido
decisivamente en otros frentes de la fsica, en particular la rama
de la ptica de cuerpos en movimiento particip en el desarrollo de
la teora de la relatividad. El primer fenmeno observado en este
campo fue la aberracin de las estrellas fijas, estudiado por James
Bradley en 1728. 50. El fenmeno aparece con la observacin de las
estrellas en diferentes posiciones angulares, dependiendo del
movimiento de la Tierra respecto a la direccin del haz de luz.
Bradley interpret el fenmeno como causado por la velocidad finita
de la luz y pudo determinar su velocidad de este modo. 51. Otro
fenmeno de la ptica de cuerpos en movimiento es la conveccin de la
luz por los cuerpos en movimiento, que Fresnel mostr se poda
entenderse como la participacin de ter en el movimiento con slo una
fraccin de la velocidad del cuerpo en movimiento. 52. Fizeau
demostr despus esta conveccin experimentalmente con la ayuda de
flujos de agua. El efecto del movimiento de la fuente luminosa fue
estudiado por Christian Doppler, que formul el principio de su
mismo nombre. Hertz fue el primero en intentar generalizar las
leyes de Maxwell a objetos en movimiento. 53. Su formulacin, sin
embargo, entraba en conflicto con algunos experimentos. Otro
investigador en este campo fue Hendrik Antoon Lorentz que supuso el
ter en estado de reposo absoluto como portador del campo
electromagntico y dedujo las propiedades de los cuerpos materiales
a partir de la interaccin de partculas elctricas elementales (los
electrones). 54. Pudo deducir el coeficiente de conveccin de
Fresnel a partir de su teora, as como el resto de fenmenos
conocidos en 1895. Sin embargo con la mejora de la precisin en la
determinacin de caminos pticos, obtenida gracias al interfermetro
de Albert Abraham Michelson con el que se descubri una anomala: 55.
result imposible demostrar la existencia de un corrimiento del ter
requerida por la teora del ter estacionario. Esta anomala fue
resuelta por Albert Einstein en 1905 con su teora especial de la
relatividad. 56. ptica moderna La ptica moderna abarca las reas de
la ciencia y la ingeniera ptica que se hicieron populares en el
siglo XX. Estas reas de la ciencia ptica normalmente se refieren a
la electromagntica o las propiedades cunticas de la luz, pero no
incluyen otros temas. 57. Un subcampo importante de la ptica
moderna, la ptica cuntica , que trata de propiedades mecnicas
especialmente la cuntica de la luz. La ptica cuntica no es slo
terica, algunos de los dispositivos modernos, como el lser, tienen
sus principios de funcionamiento que dependen de la mecnica
cuntica. 58. Detectores de luz, tales como fotomultiplicadores y
channeltrons , responden a fotones individuales. Sensores
electrnicos de imagen , como CCDs , la exposicin de ruido de
disparo correspondiente a las estadsticas de los distintos eventos
de fotones.Diodos emisores de luz y clulas fotovoltaicas , tampoco
pueden entenderse sin la mecnica cuntica 59. En el estudio de estos
dispositivos,laptica cuntica a menudo sesuperpone con la electrnica
cuntica. reas especializadas en lainvestigacin de la ptica incluyen
elestudio de cmo la luz interacta conmateriales especficos como en
laptica de cristal y metamateriales . 60. Otra investigacin se
centra en la fenomenologa de las ondas electromagnticas, como en
ptica singular , la ptica sin imgenes , la ptica no lineal y ptica
estadstica , y radiometra . Adems, los ingenieros informticos han
tomado un inters en la ptica integrada , la visin artificial y
computacin fotnica como posibles componentes de la "prxima
generacin" de ordenadores. 61. Hoy en da, la ciencia pura de la
ptica se llama la ciencia ptica o fsica ptica para distinguirlo de
las ciencias aplicadas ptica, que se conocen como ingeniera ptica .
Subcampos destacados de la ingeniera ptica incluyen ingeniera de
iluminacin , la fotnica y optoelectrnica , con aplicaciones
prcticas como objetivo el diseo , fabricacin y ensayo de
componentes pticos y de procesamiento de imgenes . 62. Algunos de
estos campos se superponen, con lmites difusos entre los trminos de
los temas que significan cosas diferentes en diferentes partes del
mundo y en diferentes reas de la industria. 63. Lser Un lser es un
dispositivo que emite luz (radiacin electromagntica) a travs de un
proceso conocido como emisin estimulada . El trmino lser es un
acrnimo para la amplificacin de luz por emisin estimulada de
radiacin . 64. La luz lser es generalmente coherente , lo que
significa que la luz es emitida en un estrecho de baja divergencia
del haz , o se puede convertir en una con el la ayuda de
componentes pticos tales como lentes 65. El primer lser fue
demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en el Hughes
Research Laboratories . Cuando se invent por primera vez, se les
llamaba "una solucin buscando un problema". Desde entonces, los
lseres se han convertido en uno de varios millones de dlares de la
industria, la bsqueda de la utilidad en miles de aplicaciones muy
variadas. 66. La primera aplicacin de los lseres visibles en la
vida cotidiana de la poblacin en general era el supermercado de
cdigo de barras escner, introducido en 1974. El reproductor de
laserdisc , introducido en 1978, fue el primer producto de consumo
con xito para incluir un lser, pero el reproductor de discos
compactos fue el primer dispositivo equipado con lser que lleg a
ser verdaderamente comn en los hogares de los consumidores, a
partir de 1982. 67. Estos dispositivos de almacenaje pticos usan un
lser de semiconductor de menos de un milmetro de ancho para
explorar la superficie de la disco para la recuperacin de datos. La
comunicacin de fibra ptica confa en lsers para transmitir las
cantidades grandes de informacin en la velocidad de luz. Otros usos
comunes de lsers incluyen impresoras de lser e indicadores de lser.
68. Los lsers son usados en la medicina en reas como "la ciruga sin
sangre" , la ciruga de ojo de lser, y la microdiseccin de captura
de lser y en usos militares como sistemas de defensa de misil,
contramedidas electrpticas (EOCM), y LIDAR. Los lsers tambin son
usados en hologramas, juegos de luces de lser, y el retiro de pelo
de lser. 69. Teoras cientficas Desde el punto de vista fsico, la
luz es una onda electromagntica. Segn el modelo utilizado para la
luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente
de precisin (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado
por la siguiente): 70. La ptica geomtrica: Trata a la luz como un
conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en
el estudio de la transmisin de la luz por medios homogneos (lentes,
espejos), la reflexin y la refraccin. 71. La ptica electromagntica
u ptica fsica: Considera a la luz como una onda electromagntica,
explicando as la difraccin, interferencia, reflectancia y
transmitancia, y los fenmenos de polarizacin y anisotropa. 72. La
ptica cuntica: Estudio cuntico de la interaccin entre las ondas
electromagnticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpsculo
desempea un papel crucial. 73. Espectro electromagntico Si bien la
ptica se inici como una rama de la fsica distinta del
electromagnetismo en la actualidad se sabe que la luz visible parte
del espectro electromagntico, que no es ms que el conjunto de todas
las frecuencias de vibracin de las ondas electromagnticas. Los
colores visibles al ojo humano se agrupan en la parte del "Espectro
visible".
