guadalupe optica

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  • 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".