Óptica I. Física. 2. Optica Fí Sica. FÍS.

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Física

Es la parte de la Ó. que estudia la propagación de la luz (v.) a través de cualquier medio y los fenómenos que se originan considerándola como un movimiento ondulatorio.

La teoría ondulatoria (v. ONDAS) considera la luz como un movimiento periódico transversal que se propaga en el vacío con una velocidad de aproximadamente 3X108 m. seg-I, la cual es independiente de la longitud de onda y de la intensidad. En la Ó. física se supone que la luz inicialmente se está propagando en línea recta dentro de un medio isótropo y homogéneo.

Fenómenos de paso a otro medio isótropo y homogéneo. Al llegar la luz a la superficie de separación de dos medios isótropos y homogéneos diferentes, ocurre lo siguiente: una parte de las ondas al chocar con la superficie vuelven de nuevo al medio de donde procedían, fenómeno llamado reflexión, que está gobernado por dos leyes: 1) El ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la superficie es igual al que forma el rayo reflejado con aquélla. 2) El rayo incidente, la normal en el punto de incidencia y el rayo reflejado están en un mismo plano. Otra parte de las ondas pasan al segundo medio y, si la incidencia ha sido oblicua, debido al cambio de velocidad de propagación hay una inflexión en la dirección de propagación. A este fenómeno se le llama. refracción y está regido por las leyes siguientes: 1) El rayo incidente, el rayo refractado y la normal en el punto de incidencia están en un mismo plano. 2) La razón del seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de refracción es una constante llamada índice de refracción del segundo medio respecto al primero.

Cuando un haz de luz no monocromática, luz blanca p. ej., incide oblicuamente sobre una de las caras de un prisma de vidrio, por ser el índice de refracción diferente para cada longitud de onda, los ángulos de refracción son también diferentes y las distintas componentes monocromáticas se separan. Este fenómeno se llama dispersión. Un haz luminoso da origen a una imagen alargada, formada por bandas o rayas de diferentes colores, llamada espectro (v. REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN).

Fenómenos al incidir sobre (o pasar por) otro medio isótropo y no homogéneo. Si la superficie del segundo medio es rugosa o está formada por diminutos granos que producen reflexiones en múltiples direcciones, se produce el fenómeno llamado difusión, que también puede originarse al pasar la luz por un medio turbio, como, p. ej., una nube o un líquido lechoso. Una superficie difusora perfecta distribuye la luz reflejada en todas las direcciones según la ley del coseno de Lambert, que establece que la intensidad luminosa en una dirección cualquiera es proporcional al coseno del ángulo que forma dicha dirección con la normal a la superficie. El polvo de óxido de magnesio o de sulfato de bario prensados dan superficies difusoras casi perfectas.

En el caso en que el haz luminoso atraviesa un medio que contiene partículas cuyo tamaño es comparable con la longitud de onda de la radiación se produce el fenómeno de esparcimiento o cambio múltiple de la dirección de propagación. La ley de Rayleigh establece que la intensidad de la luz esparcida es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Por esto las radiaciones de longitud de onda corta son más esparcidas que las de onda larga. El color azul del cielo es debido al esparcimiento de la luz solar en las moléculas de aire. Fuera de la atmósfera el cielo es negro.

Efectos de superposición de ondas. Cuando se superponen dos trenes de ondas procedentes de un mismo manantial puntual monocromático, se produce una atenuación o refuerzo de las amplitudes de las vibraciones. A este fenómeno se denomina interferencia (v.).

Se ha indicado la necesidad de que los dos haces procedan de un mismo manantial puntual, pues en este caso hay una perfecta correlación entre las fluctuaciones temporales de fase y orientación que sufren ambas vibraciones. Se dice entonces que dichos haces son coherentes. En dos haces coherentes la diferencia de fase es constante a lo largo del tiempo. Las dimensiones del manantial también influyen en el grado de coherencia de los haces que salen de él; así, cuanto más extenso es el manantial, menor es su grado de coherencia, hablándose entonces de una coherencia parcial. Dos haces que son parcialmente coherentes pueden interferir, pero la visibilidad de las franjas de interferencia es menor. Haces procedentes de dos manantiales diferentes o de dos puntos de un manantial extenso son incoherentes y no producen interferencias.

El interferómetro de Michelson, representado esquemáticamente en la fig. 22 de instrumentos ópticos, es un ejemplo de un dispositivo interferencial. Un manantial luminoso monocromático, formado por la lámpara L y el vidrio deslustrado V, ilumina las placas de vidrio plano paralelas PI y P2. La cara posterior de la placa P, está semialuminada, es decir, se comporta como un espejo que refleja el 50% y transmite el otro 50%. Los espejos El y E2 reflejan la luz que incide sobre ellos devolviéndola en la misma dirección en que venía. Al volver a incidir sobre la placa PI, los dos haces coherentes se superponen dando origen a las interferencias. La placa P2, que es del mismo tipo de vidrio que la PI y de igual espesor, tiene por misión compensan el camino óptico, de tal modo que los dos haces atraviesen igual espesor de vidrio en total. Colocando el ojo en O se observan un conjunto de anillos concéntricos, alternativamente claros y oscuros. Al mover el espejo El se observará que en el centro aparecen o desaparecen anillos, según el sentido del movimiento dado al espejo. Por un sencillo razonamiento se puede demostrar que cada vez que desaparece un anillo, el espejo El se ha desplazado la mitad de la longitud de onda de la luz emitida por L. La definición actual del metro patrón como una longitud igual a 1.650.763,73 longitudes de onda en el vacío de la radiación roja del criptón 86 se ha hecho utilizando un interferómetro de Michelson de gran precisión.

Otro fenómeno muy importante es el de interferencias en láminas delgadas. Sean ni, n2 y n3 (fig. 1) los índices de refracción de los diferentes medios. El haz luminoso incidente I produce un haz reflejado formado por los rayos R,, R2, R3, etc., y un haz transmitido formado por los rayos TI, T2, T3, etc., que se originan en las múltiples reflexiones en las dos caras. Entre cada dos rayos consecutivos hay una diferencia de camino que es función del espesor de la lámina, de su índice de refracción y del ángulo de incidencia. Una combinación adecuada de estas variables puede hacer que el haz reflejado, p. ej., se anule por interferencia; éste es el caso de las láminas antirreflejantes que se depositan sobre las caras de las lentes para aumentar su transmisión y reducir reflejos.

Una lámina delgada de índice de refracción y espesor adecuados, limitada por dos superficies semiespeculares, es el fundamento de los llamados filtros interf erenciales, que se usan para aislar una banda muy estrecha del espectro. Los llamados espejos fríos, que reflejan la luz visible y transmiten las radiaciones infrarrojas, construidos depositando una serie de capas de diferentes índices y espesores, permiten obtener un haz luminoso intenso que no calienta.

Efecto del borde de un obstáculo. Otro fenómeno que pone de manifiesto el carácter ondulatorio de la luz es la di f racción (v.) o desviación que sufre un rayo al pasar junto al borde de un obstáculo. En la región de sombra producida por el borde aparecen una serie de franjas luminosas de intensidad decreciente. La imagen producida por un objeto fotográfico, p. ej., está afectada por la difracción que introduce el propio objetivo. El estudio de la difracción en la imagen permite conocer la distribución de amplitudes en la onda que ha atravesado el objetivo y, recíprocamente, si se conoce la distribución de amplitudes en el objetivo, es posible calcular la difracción en la imagen. Este cálculo es factible debido a que las dos funciones que definen las distribuciones de intensidades son las transformadas de Fourier una de la otra. En el caso de un objetivo perfecto ideal, la imagen de un punto es un conjunto de anillos concéntricos, cuya distribución diametral de intensidades es la representada en la fig. 2. El diámetro del primer anillo oscuro tiene mucha importancia para poder predecir teóricamente el poder de resolución de cualquier instrumento.

En muchos objetos extensos es posible considerar sobre ellos una cierta periodicidad y definir una frecuencia espacial. P. ej., en una fotografía reproducida litográficamente, existe la frecuencia espacial del tramado. A partir de la difracción que produce este tramado, es posible calcular un filtro que anule sus frecuencias espaciales y obtener una nueva fotografía en la que haya desaparecido por completo el tramado.

Todo instrumento óptico puede considerarse como un filtro de frecuencias espaciales del objeto. Se ha desarrollado recientemente un método que indica la calidad de un instrumento al conocer la función. de transferencia de dichas frecuencias espaciales. Una imagen será tanto más parecida al objeto cuanto mayor sea el número de frecuencias transmitidas por el instrumento.

Algunas veces el motivo de que determinados objetos no sean visibles al microscopio no es que sean muy pequeños, sino que son tan transparentes que no destacan respecto al fondo. Generalmente estos objetos sólo se diferencian del medio donde se encuentran por una pequeña diferencia de índice de refracción o de espesor. Por el método de contraste de fase, descubierto por F. Zernike, es posible convertir la variación de fase que producen en variación de amplitud y, por tanto, de intensidad, haciéndolos visibles. Utilizando la microscopia de contraste de fase se han podido estudiar muchas bacterias y tejidos en vivo, sin necesidad de teñir las preparaciones, operación que generalmente acarrea la muerte de las células.

Efecto de orientación del plano de vibración. El carácter transversal del movimiento vibratorio que representa la luz significa que las vibraciones tienen lugar en planos que se cortan según una línea, que coincide con la dirección de propagación, y que toman todas las orientaciones posibles. Cuando el plano de vibración sólo tiene una orientación, se dice que la luz está polarizada (v. POLARIZACIÓN). Cualquiera de los fenómenos de reflexión, refracción, absorción selectiva, doble refracción o esparcimiento, puede convertir un haz de luz natural en luz polarizada.

En la luz polarizada plana, la orientación del plano de vibración permanece fija y sólo hay variaciones de amplitud. Si la amplitud se mantiene constante y la orientación del plano de vibración varía de un modo regular, como si el extremo del vector representativo se moviera sobre una circunferencia, se dice que la luz está polarizada circularmente. Si tanto la amplitud como la orientación varían regularmente, como si el extremo del vactor representativo se moviera sobre una elipse, se dice que la luz está polarizada elípticamente.

La luz polarizada plana puede obtenerse por medio de un prisma de Nicol, que es un dispositivo polarizante por doble refracción, construido a partir de un cristal de calcita. Los llamados polaroides son polarizadores artificiales de gran superficie, basados en la absorción selectiva de las moléculas fuertemente dicroicas de algunos polímeros orgánicos. Situando dos polaroides con sus planos de polarización cruzados se obtiene un campo oscuro. Si se introduce entre los dos un objeto transparente de vidrio o plástico, en los puntos donde exista birrefringencia producida por tensiones internas se verá luz. Éste es el fundamento de la moderna técnica, denominada Fotoelasticidad, que se emplea para el estudio de resistencia de estructuras.

Muchas sustancias, entre ellas las disoluciones de azúcares, presentan el fenómeno llamado polarización rotatoria, que consiste en un giro del plano de polarización, cuando la sustancia es atravesada por un haz de luz polarizada plana. Si el giro es hacia la derecha de la sustancia se llama dextrógira y si es hacia la izquierda levógira. Se construyen aparatos denominados polarímetros, que permiten determinar las concentraciones de disoluciones en función del giro del plano de polarización para un espesor fijo.

ANTONIO DE LA CRUZ.

BIBL.: F. JENXINS y. H. E. WHrm, Fundamentos de óptica, Madrid 1964; M. BORN, Principles of Optics, Londres 1959; J. K ROBERTSON, Introduction to Physical Optics, Nueva York 1941; R. W. WOOD, Optique Physique, París 1914; M. FRANRON, Modern Applications of Physical Optics, Nueva York-Londres 1963.