Antecedentes históricos de la óptica y su clasificación

Antecedentes históricos de la óptica y su clasificación.

Antecedentes Historicos.

1590 Microscopio compuesto El fabricante de lentes holandés Zacharias Janssen inventa el microscopio compuesto, que al disponer de dos lentes, permite ampliar más los objetos, aunque todavía se obtienen imágenes borrosas. 1608 El primer telescopio Se inventa el telescopio en Holanda. Aunque se discute la identidad del verdadero inventor, normalmente se le atribuye al fabricante de lentes holandés Hans Lippershe 1621 Snell establece la ley de la refracción El matemático holandés Willebrord van Roijen Snell establece la ley de la refracción de la luz (ley de Snell), que relaciona los ángulos de incidencia y de refracción con los índices de refracción de los medios en que se propagan los rayos luminosos. 1668 Newton inventa el telescopio reflector El físico y matemático inglés Isaac Newton construye el primer telescopio reflector. Este telescopio utiliza un espejo curvo para enfocar la luz. La luz de objetos lejanos como las estrellas entra en el tubo del telescopio en rayos paralelos, que se reflejan en el espejo cóncavo hacia un espejo plano diagonal. El espejo diagonal refleja la luz a través de una abertura en un lado del tubo del telescopio a una lente del ocular. c. 1678? Se desarrolla la teoría ondulatoria de la luz El astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens descubre que todo punto de un frente de ondas que avanza, actúa como una fuente de nuevas ondas, y a partir de este principio (principio de Huygens) desarrolla la teoría ondulatoria de la luz. 1932 Microscopio electrónico El físico e ingeniero electrónico alemán Ernst August F. Ruska diseña el microscopio electrónico, que utiliza electrones para iluminar el objeto. Por este trabajo y las mejoras posteriores de su invento recibe el Premio Nobel de Física en 1986.

Clasificacion. La óptica se divide en óptica física la cual estudia a la luz desde el punto de vista de su descomposición. La óptica geométrica la estudia desde el punto de vista de un rayo por lo que aquí se estudian los fenómenos de refracción y reflexión.

Ilustrar y analizar el principio de Huygens.

Christiaan Huygens (1629-1695), astrónomo, matemático y físico holandés nacido en La Haya. Sus numerosos y originales descubrimientos científicos le valieron un amplio reconocimiento entre los científicos del siglo XVII. Entre sus descubrimientos destaca el principio (posteriormente llamado principio de Huygens) que establece que todo punto de un frente de ondas que avanza, actúa como una fuente de nuevas ondas. A partir de este principio, Huygens desarrolló la teoría ondulatoria de la luz. Esta visión de la propagación de las ondas ayuda a entender mejor los fenómenos de difracción, reflexión y la refracción de las ondas.

Investigar y discutir el principio de Fermat y sus aplicaciones. El Principio de Fermat en óptica establece: La trayectoria real entre dos puntos tomada por un haz de luz es la que se atraviesa en el menor tiempo. Este principio fue establecido primero por Pierre de Fermat. Mientras que el principio de Huygens es útil para explicar la difracción, es de poca utilidad para calcular matemáticamente las propiedades de la luz. El principio de Fermat (según lo citado arriba en su forma original) se puede utilizar para describir las propiedades de los rayos de luz reflejados por los espejos, refractados en diversos medios, o experimentar la reflexión total. Puede ser utilizado para derivar la ley de Snell. La versión moderna, completa del principio de Fermat establece que la longitud de camino óptico debe ser extremal, que significa que puede ser minimal o maximal. Los máximos ocurren en unalente gravitacional y en los puntos de inflexión.

Consecuencias de principio de Fermat: ley de reflexión y refracción.

Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia (véase figura 1). El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo.

Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en un mismo plano. Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada (figura 2). En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma distancia que hay entre éste y el objeto que está delante. Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen.

Discutir acerca del fenómeno de la reflexión interna total y el principio de la fibra óptica previa investigación documental. Reflexión interna total es el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio de índice de refracción n2 menor que el índice de refracción n1 en el que éste se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente. Este fenómeno solo se produce para ángulos de incidencia superiores a un cierto valor crítico, θc. Para ángulos mayores la luz deja de atravesar la superficie y es reflejada internamente de manera total. La reflexión interna total solamente ocurre en rayos viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción. La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas de energía. En una fibra óptica el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea. El ángulo de la incidencia de la luz es crítico para la base y su revestimiento y se produce una reflexión interna total que preserva la energía transportada por la fibra.

En aparatos de óptica se prefiere utilizar la reflexión total en lugar de espejos metalizados. Como ejemplo de utilización de la reflexión total en aparatos corrientes encontramos el pentaprisma de las cámaras fotográficas réflex y los Prisma de Porro o Schmidt-Pechan de los prismáticos. La reflexión interna total es responsable de los destellos de luz que se observan en un diamantetallado. [editar]Ángulo

crítico

El ángulo crítico o ángulo límite también es el ángulo mínimo de incidencia en el cual se produce la reflexión interna total. El ángulo de incidencia se mide respecto a la normal de la separación de los medios. El ángulo crítico viene dado por:

, donde y son los índices de refracción de los medios con . Esta ecuación es una simple aplicación de la ley de Snell donde el ángulo de refracción es 90°

Fibra Optica La fibra óptica no es más un conductor de luz. La luz queda atrapada en este conducto y se propaga a la máxima velocidad posible a lo largo del mismo. La velocidad de propagación de la luz depende del tipo de material transparente empleado, ya que la máxima velocidad c = 299.792.458 m/s sólo se alcanza en el vacío. En el resto de medios la propagación se produce a menor velocidad, la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en otro medio, se conoce como índice de refracción del medio y es característico de cada material. El motivo físico por el cual la luz queda atrapada dentro del conducto, se basa en las leyes de reflexión y refracción de la luz, según las cuales, cuando un rayo atraviesa la frontera desde un medio físico transparente a otro también transparente, pero donde la velocidad de propagación es menor, la trayectoria del mismo varía, siguiendo una ley física conocida como Ley de Snell.

Explicar los fenómenos de interferencia y difracción, y analizar los problemas clásicos.

Cuando dos haces de luz se cruzan pueden interferir, lo que afecta a la distribución de intensidades resultante (véase Interferencia). La coherencia de dos haces expresa hasta qué punto están en fase sus ondas. Si la relación de fase cambia de forma rápida y aleatoria, los haces son incoherentes. Si dos trenes de ondas son coherentes y el máximo de una onda coincide con el máximo de otra, ambas ondas se combinan produciendo en ese punto una intensidad mayor que si los dos haces no fueran coherentes. Si son coherentes y el máximo de una onda coincide con el mínimo de la otra, ambas ondas se anularán entre sí parcial o totalmente, con lo que la intensidad disminuirá. Cuando las ondas son coherentes, puede formarse un diagrama de interferencia formado por franjas oscuras y claras. Para producir un diagrama de interferencia constante, ambos trenes de ondas deben estar polarizados en el mismo plano. Los átomos de una fuente de luz ordinaria irradian luz de forma independiente, por lo que una fuente extensa de luz suele emitir radiación incoherente. Para obtener luz coherente de una fuente así, se selecciona una parte reducida de la luz mediante un pequeño orificio o rendija. Si esta parte vuelve a separarse mediante una doble rendija, un doble espejo o un doble prisma y se hace que ambas partes recorran trayectorias de longitud ligeramente diferente antes de combinarlas de nuevo, se produce un diagrama de interferencias. Los dispositivos empleados para ello se denominan interferómetros; se utilizan para medir ángulos pequeños, como los diámetros aparentes de las estrellas, o distancias pequeñas, como las desviaciones de una superficie óptica respecto a la forma deseada. Las distancias se miden en relación a la longitud de onda de la luz empleada. El primero en mostrar un diagrama de interferencias fue el físico británico Thomas Young, en el experimento ilustrado en la figura 8. Un haz de luz que había pasado previamente por un orificio, iluminaba una superficie opaca con dos orificios o rendijas. La luz que pasaba por ambas rendijas formaba un diagrama de franjas circulares sucesivamente claras y oscuras en una pantalla. En la ilustración están dibujadas las ondulaciones para mostrar que en puntos como A, C o E (intersección de dos líneas continuas), las ondas de ambas rendijas llegan en fase y se combinan aumentando la intensidad. En otros puntos, como B o D (intersección de una línea continua con una línea de puntos), las ondas están desfasadas 180° y se anulan mutuamente.