1. Óptica ondulatoria
En esta unidad estudiaremos la luz como un fenómeno ondulatorio y sus manifestaciones, que pueden explicarse desde el comportamiento ondulatorio de la luz. Para entender este modelo, será necesario comprender qué es una onda y qué parámetros la definen.
Parámetros de onda
Entendemos por onda a un fenómeno general provocado por una perturbación periódica de un medio a través del cual dicha perturbación (de tipo transversal o longitudinal) se propaga.
- Amplitud (A): es el nivel máximo de excursión de la perturbación que genera la onda respecto a la unidad patrón que describe la onda.
- Período (T): es el tiempo que tarda en cubrir un ciclo completo de la perturbación; es decir, el tiempo entre dos crestas o dos valles consecutivos. Se mide en segundos (s).
- Frecuencia (f): cantidad de ciclos de la onda por unidad de tiempo. Se mide en Hertz [Hz = 1/s].
- Período y frecuencia son magnitudes recíprocas y, por lo tanto, inversamente proporcionales: f = 1/T ⟹ T = 1/f
- Longitud de onda (λ): distancia que separa dos crestas o dos valles consecutivos. Se mide en unidades de longitud.
Ondas transversales vs. longitudinales
- Onda transversal: aquella cuya perturbación es perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
- Onda longitudinal: una onda es longitudinal cuando la perturbación se da en el mismo sentido y dirección que la propagación (ejemplo: tubos con partículas comprimiéndose y descomprimiéndose).
Independientemente del tipo de onda, existen parámetros que sirven para describir a todas las ondas.
2. Velocidad de propagación y ecuación de onda
Velocidad de propagación:
v = λ / T = λ · f
Frecuencia angular (ω):
ω = 2π / T = 2π · f [rad/s]
El modelo general de una ecuación de onda en función del tiempo responde al siguiente formato:
y = A · sen(ω · t + φ)
Donde:
- A: Amplitud
- ω: Frecuencia angular
- φ: Desplazamiento de fase
- D: Desplazamiento vertical
3. Interferencia de ondas luminosas
El fenómeno de interferencia ondulatoria se basa en el principio de superposición: la acción combinada de dos o más ondas que actúan en el mismo espacio y tiempo será igual a la suma de los aportes individuales de cada onda.
Condiciones de coherencia
Para que la interferencia entre dos fuentes sea perceptible (estable), ambas deben cumplir:
- Deben ser fuentes de luz monocromática y de igual longitud de onda.
- Ambas fuentes deben tener la misma frecuencia y mantener una diferencia de fase constante en el tiempo (fuentes coherentes).
Tipos de interferencia según el corrimiento de fase (φ)
| Tipo | Rango de φ | Descripción |
|---|---|---|
| Plenamente constructiva | φ = 0° | Las crestas coinciden con las crestas y los valles con los valles. La amplitud resultante es la suma de las individuales. |
| Parcialmente constructiva | 0° < φ < 120° | La interferencia refuerza la onda: la amplitud resultante es mayor a la de cada onda individual pero menor al doble. |
| Parcialmente destructiva | 120° < φ < 180° | La interferencia hace que la amplitud resultante sea menor que la de la onda individual. |
| Plenamente destructiva | φ = 180° | Las crestas coinciden con los valles. Si tienen igual amplitud, se cancelan completamente (amplitud = 0). |
4. Principio de Huygens
Este principio explica de manera geométrica la propagación de las ondas. Plantea que cada punto de un frente de onda existente puede considerarse como una nueva fuente puntual de ondas secundarias, y que el nuevo frente de onda resultante será la envolvente de dichas ondas secundarias. Este nuevo frente mantendrá la misma frecuencia y longitud de onda que la original.
5. Experimento de doble rendija de Young
El experimento consiste en una fuente de luz monocromática que incide sobre una pantalla con una rendija, comportándose como una fuente puntual coherente. Esta luz llega a una segunda pantalla con dos rendijas (S1 y S2), que actúan como fuentes coherentes.
Estas fuentes emiten ondas que recorren distancias distintas hasta impactar en una tercera pantalla, generando un patrón de interferencia: una alternancia de franjas brillantes (interferencia constructiva) y franjas oscuras (interferencia destructiva).
6. Análisis geométrico del interferómetro de Young
Se asume que d << L (donde d es la separación entre rendijas y L la distancia a la pantalla), por lo tanto, θ ≈ 0 y sen(θ) ≈ tg(θ).
- Franja brillante (constructiva): la diferencia de camino debe ser un múltiplo entero de λ.
- Franja oscura (destructiva): la diferencia de camino debe ser un múltiplo impar de media longitud de onda.
7. Polarización de la luz
La luz es una onda electromagnética compuesta por dos vectores: uno de campo eléctrico (E) y otro de campo magnético (B), perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. La luz no polarizada es aquella cuyo campo eléctrico apunta en múltiples direcciones perpendiculares a la propagación.
Polarizar la luz significa ordenar el vector de campo eléctrico en una única dirección de oscilación.
7.1 Polarización por absorción selectiva
Se produce mediante materiales como el Polaroid, que actúan como una rejilla molecular. El campo eléctrico paralelo a la alineación molecular es absorbido, mientras que el perpendicular atraviesa el material sin atenuación.
7.2 Polarización por reflexión
Ocurre cuando la luz incide sobre un cambio de medio. Según la Condición de Brewster, cuando el rayo reflejado y el refractado forman 90°, el rayo reflejado queda totalmente polarizado. La condición angular es θ1 + θr = 90°.