Óptica
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Óptica. Rama de la física que está encargada del estudio del comportamiento que presenta la luz, así como también de sus características y principales manifestaciones.
Sumario
Historia de la óptica
Edad antigua
Mucho antes de que se iniciaran los estudios metódicos y formales de los fenómenos ópticos, se construyeron espejos y lentes para mejorar la visión. Por ejemplo, los espejos ya fueron usados por las mujeres del antiguo Egipto para verse en ellos (1900 a.C.), como pudo comprobarse al encontrar uno cerca de la pirámide de Sesostris II. Naturalmente, estos espejos eran solamente unos trozos de metal con un pulido muy imperfecto.
En las ruinas de Nínive, la antigua capital Asiría, se encontró una pieza de cristal de roca que tenía toda la apariencia de una lente convergente. Una de las más antiguas referencias a las lentes se encuentra en los escritos de Confucio (500 a.C.), quien decía que las lentes mejoraban la visión, aunque probablemente no sabía nada acerca de la refracción.
Otra mención muy temprana de ellas se encuentra en el libro de Aristófanes, Las nubes, una comedia escrita en el año 425 a.C., en donde describe unas piedras transparentes, con las que se puede encender el fuego mediante la luz del sol. Probablemente fue él quien construyó la primera lente del mundo, con un globo de vidrio soplado, lleno de agua, en el año 424 a.C. Sin embargo, ésta no fue construida con el propósito de amplificar imágenes, sino de concentrar la luz solar.
La primera mención al fenómeno de la refracción de la luz la encontramos en el libro de Platón, La República. Euclides estableció por primera vez (300 a.C.) la ley de la reflexión y algunas propiedades de los espejos esféricos en su libro Catóptrica. Herón de Alejandría (250 d.C.) casi descubrió el Principio de Fermat al decir que la luz al reflejarse sigue la mínima trayectoria posible.
Edad media
Durante la Edad Media, la óptica, al igual que la demás ciencias, progresó muy lentamente. Este adelanto estuvo en manos de los árabes. El filósofo árabe Abu Ysuf Yaqub Ibn Is-Hak, más conocido como Al-Kindi, que vivió en Basora y Bagdad (813- 880 d.C.), escribió un libro sobre óptica llamado De Aspectibus. En él hace algunas consideraciones generales acerca de la refracción de la luz, pero además contradice a Platón al afirmar, igual que Aristóteles, que la visión se debe a unos rayos que emanan de los cuerpos luminosos, y no del ojo, de donde parten viajando en línea recta para luego penetrar al ojo, donde producen la sensación visual.
Otro científico árabe muy importante, Ibn al-Haitham, más conocido por su nombre latinizado Alhazen (965-1038 d.C.), hizo investigaciones sobre astronomía, matemáticas, física y medicina. Alhazen escribió un libro llamado Kitab-ul Manazir (Tratado de óptica), donde expone sus estudios sobre el tema. Entre sus principales resultados está el descubrimiento de la cámara obscura, mediante la cual pudo formar una imagen invertida de un objeto luminoso, haciendo pasar la luz a través de un pequeño orificio.
Alhazen también hizo el primer estudio realmente científico acerca de la refracción, probando la ley aproximada de Tolomeo y además encontró una ley que daba las posiciones relativas de un objeto y su imagen formada por una lente o por un espejo convergente. Sin duda este científico fue la más grande autoridad de la Edad Media, y tuvo una gran influencia sobre los investigadores que le siguieron, incluyendo a Isaac Newton.
Los bizantinos habían descubierto la necesidad de emplear productos químicos de muy alta pureza para obtener buena transparencia, al mismo tiempo que habían adquirido una gran habilidad en el tallado y pulido del vidrio. Durante la cuarta Cruzada, en 1204, los venecianos decidieron saquear Constantinopla en lugar de acudir a Tierra Santa, por lo que descubrieron sus secretos. Al regresar a Venecia, los invasores de Constantinopla se llevaron consigo un gran número de artesanos especializados en el manejo del vidrio, lo que les permitió después adquirir una gran reputación en toda Europa. Hasta la fecha, la artesanía del vidrio de Venecia tiene fama en todo el mundo.
Después de tallar las primeras lentes, el siguiente paso natural era montarlas en una armazón para colocar una lente en cada ojo, con el fin de mejorar la visión de las personas con defectos visuales. Como era de esperarse, esto se realizó en Italia, casi un siglo después, entre los años 1285 y 1300 d.C., aunque siempre ha existido la duda de si fue Alexandro della Spina, un monje dominico de Pisa, o su amigo Salvino de Armati, en Florencia. El primer retrato conocido de una persona con anteojos es el de un fresco pintado por Tomaso da Modena, en 1352.
Principales temas de estudio que abarca la disciplina
La reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la interacción de la luz con la materia y la formación de las imágenes.
- Reflexión se designa al cambio de dirección que tendrá un rayo o en su defecto una onda y que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de manera tal que el mismo terminará regresando al medio inicial.
- Refracción será el cambio de dirección que experimenta una onda cuando pasa de un medio material a otro, en tanto, el mismo solamente se efectuará si la onda incide de forma oblicua sobre la superficie de separación de los dos medios y los índices de refracción de los medios resultan ser distintos. El ejemplo más claro para ver y entender esto que les digo se puede observar al sumergir un lápiz en un vaso con agua, el mismo aparecerá como quebrado ante nuestros ojos, cuando su realidad fuera del vaso de agua nos indica que no es así. También puede darse este fenómeno de refracción cuando la luz atraviesa varias capas de aire de diferente temperatura.
- Difracción, es un fenómeno muy característico de las ondas, el cual consiste en la dispersión y curvado aparente cuando las mismas se topan ante un obstáculo.
Teorías científicas
Desde el punto de vista físico, la luz es una onda electromagnética. Según el modelo utilizado para la luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente de precisión (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado por la siguiente):
- La óptica geométrica: Trata a la luz como un conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisión de la luz por medios homogéneos (lentes, espejos), la reflexión y la refracción.
- La óptica electromagnética u óptica física: Considera a la luz como una onda electromagnética, explicando así la difracción, interferencia, reflectancia y transmitancia, y los fenómenos de polarización y anisotropía.
- La óptica cuántica: Estudio cuántico de la interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpúsculo desempeña un papel crucial.
Espectro electromagnético
Si bien la Óptica se inició como una rama de la física distinta del electromagnetismo en la actualidad se sabe que la luz visible parte del espectro electromagnético, que no es más que el conjunto de todas las frecuencias de vibración de las ondas electromagnéticas. Los colores visibles al ojo humano se agrupan en la parte del "Espectro visible".
Óptica moderna
La óptica moderna abarca las áreas de la ciencia y la ingeniería óptica que se hicieron populares en el siglo XX. Estas áreas de la ciencia óptica normalmente se refieren a la electromagnética o las propiedades cuánticas de la luz, pero no incluyen otros temas.
Un subcampo importante de la óptica moderna, la óptica cuántica, que trata de propiedades mecánicas especialmente la cuántica de la luz. La óptica cuántica no es sólo teórica, algunos de los dispositivos modernos, como el láser, tienen sus principios de funcionamiento que dependen de la mecánica cuántica. Detectores de luz, tales como fotomultiplicadores y channeltrons , responden a fotones individuales.
Sensores electrónicos de imagen, como CCDs , la exposición de ruido de disparo correspondiente a las estadísticas de los distintos eventos de fotones. Diodos emisores de luz y células fotovoltaicas, tampoco pueden entenderse sin la mecánica cuántica. En el estudio de estos dispositivos, la óptica cuántica a menudo se superpone con la electrónica cuántica.
Áreas especializadas en la investigación de la óptica incluyen el estudio de cómo la luz interactúa con materiales específicos como en la óptica de cristal y metamateriales . Otra investigación se centra en la fenomenología de las ondas electromagnéticas, como en óptica singular, la óptica sin imágenes, la óptica no lineal y óptica estadística, y radiometría . Además, los ingenieros informáticos han tomado un interés en la óptica integrada, la visión artificial y computación fotónica como posibles componentes de la "próxima generación" de ordenadores.
Hoy en día, la ciencia pura de la óptica se llama la ciencia óptica o física óptica para distinguirlo de las ciencias aplicadas óptica, que se conocen como ingeniería óptica. Subcampos destacados de la ingeniería óptica incluyen ingeniería de iluminación, la fotónica y optoelectrónica , con aplicaciones prácticas como objetivo el diseño , fabricación y ensayo de componentes ópticos y de procesamiento de imágenes . Algunos de estos campos se superponen, con límites difusos entre los términos de los temas que significan cosas diferentes en diferentes partes del mundo y en diferentes áreas de la industria.
Láser
Un láser es un dispositivo que emite luz (radiación electromagnética) a través de un proceso conocido como emisión estimulada. El término láser es un acrónimo para la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.
La luz láser 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 ópticos tales como lentes.
El primer láser fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en el Hughes Research Laboratories . Cuando se inventó por primera vez, se les llamaba "una solución buscando un problema". Desde entonces, los láseres se han convertido en uno de varios millones de dólares de la industria, la búsqueda de la utilidad en miles de aplicaciones muy variadas.
Aplicaciones de los láseres
La primera aplicación de los láseres visibles en la vida cotidiana de la población en general era el supermercado de código de barras escáner, introducido en 1974. El reproductor de laserdisc , introducido en 1978, fue el primer producto de consumo con éxito para incluir un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que llegó a ser verdaderamente común en los hogares de los consumidores, a partir de 1982.
Estos dispositivos de almacenaje ópticos usan un láser de semiconductor de menos de un milímetro de ancho para explorar la superficie de la disco para la recuperación de datos. La comunicación de fibra óptica confía en lásers para transmitir las cantidades grandes de información en la velocidad de luz.
Otros usos comunes de lásers incluyen impresoras de láser e indicadores de láser. Los lásers son usados en la medicina en áreas como "la cirugía sin sangre" , la cirugía de ojo de láser, y la microdisección de captura de láser y en usos militares como sistemas de defensa de misil, contramedidas electrópticas (EOCM), y LIDAR. Los lásers también son usados en hologramas, juegos de luces de láser, y el retiro de pelo de láser.
