FUNDAMENTOS ÓPTICOS E INSTRUMENTACIÓN (OP-004)

Transcripción

1 Resumen del curso: FUNDAMENTOS ÓPTICOS E INSTRUMENTACIÓN (OP-004) El curso es una introducción a todos los conceptos físicos necesarios para comprender los aspectos ópticos de la Instrumentación científica, en particular la astronómica. Desde el concepto de fotón, se expone una visión unificada de los fenómenos ópticos. Se explican las bases de la electrodinámica cuántica para a continuación revisar en este marco la variada casuística del comportamiento óptico. El curso contiene también principios básicos de óptica geométrica y un repaso de los conceptos utilizados en el diseño óptico de instrumentos: desde los más simples a los más complejos, con especial énfasis en las aplicaciones astronómicas en óptico e infrarrojo. Todo el curso cuenta además con demostraciones prácticas y pequeños experimentos, que apoyan las explicaciones teóricas y facilitan la comprensión de los fenómenos físicos, resultando un curso esencial y ameno para físicos, astrónomos, e ingenieros de otras disciplinas diferentes de la Óptica, que participen en el diseño de instrumentación científica. Resumen del contenido de los módulos Módulo 1: Los fotones y su comportamiento: electrodinámica cuántica En este primer módulo se hace una introducción a la naturaleza de la luz. Se revisa el concepto de fotón y se enmarcan y sobrepasan las teorías anteriores al siglo XX con la introducción la teoría cuántica y la electrodinámica cuántica, como herramienta esencial para comprender los procesos de propagación de la luz: reflexión, refracción, difracción, interferencias. etc. Para finalizar se describen las principales aberraciones de los sistemas ópticos. Módulo 2: Sistemas Ópticos Se describen en primer lugar los conceptos básicos de la óptica geométrica, y las particularidades de los sistemas visibles e infrarrojos, para a continuación ir detallando algunos sistemas ópticos importantes: desde los más simples como un colimador o una cámara, hasta los más complejos, como los espectrógrafos y los telescopios. Se detalla un sistema de óptica adaptativa con su simulador de telescopio. Por último, se resumen las principales características y tipos de fotómetros y microscopios. Módulo 3: Dispersión espectral Este módulo está específicamente dedicado a la Espectroscopia. Se comienza por la definición de los parámetros básicos para a continuación profundizar en los sistemas utilizados en Astronomía para la dispersión espectral: prismas, redes de difracción, grismas y redes holográficas volumétricas. Módulo 4: Instrumentación para medidas y cualificación óptica El último módulo se dedicará a ejemplos de instrumentos específicos para el análisis óptico. 1

2 Módulo 1: Los fotones y su comportamiento: electrodinámica cuántica En este primer módulo se hace una introducción a la naturaleza de la luz. Se revisa el concepto de fotón y se enmarcan y sobrepasan las teorías anteriores al siglo XX con la introducción la teoría cuántica y la electrodinámica cuántica, como herramienta esencial para comprender los procesos de propagación de la luz: reflexión, refracción, difracción, interferencias. etc. Para finalizar se describen las principales aberraciones de los sistemas ópticos. 1.1 Los fotones y los electrones: Presentación de sus características - Teorías antiguas - Electrodinámica Cuántica - Los fotones - Energía y espectro electromagnético. - Características de la partícula: energía, velocidad y polarización. - Tipos de fotones - Descripción matemática - Los electrones - Propiedades. - Los electrones en átomos. - Los electrones en materiales. - Interacción electrón-fotón Propagación de fotones. La Electrodinámica cuántica. - Teorías anteriores al siglo XX: teoría corpuscular y ondulatoria. - Teoría cuántica. Fotones y otras partículas. - Electrodinámica cuántica. Conceptos: energía, fase, frente de amplitud de probabilidad, probabilidad. - Reglas de propagación y cálculo. Patrón de Airy - Número F#. Concepto de resolución. - Refracción. Enfoque, dependencia con la longitud de onda. Patrones de probabilidad. Las Lentes: lentes positivas y lentes negativas. - Reflexión por un vidrio. - Interferencia por dos aperturas: Experimento de Young Las deformaciones del frente de amplitud: las aberraciones - Foco - Aberración esférica. - Error de apuntado o ángulo - Coma. - Astigmatismo - Curvatura de Campo - Distorsión - Aberraciones cromáticas: axial y lateral. - Descripciones matemáticas 2

3 Módulo 2: Sistemas ópticos Se describen en primer lugar los conceptos básicos de la óptica geométrica, y las particularidades de los sistemas visibles e infrarrojos, para a continuación ir detallando algunos sistemas ópticos importantes: desde los más simples como un colimador o una cámara, hasta los más complejos, como los espectrógrafos y los telescopios. Se detalla un sistema de óptica adaptativa con su simulador de telescopio. Por último, se resumen las principales características y tipos de fotómetros y microscopios El módulo se completa con demostraciones prácticas El análisis geométrico Conceptos de óptica geométrica (I) - Conceptos de rayo director, marginal, focales y expresiones analíticas. - Foco. Ecuación paraxial. Aumento axial. Aumento lateral. - Trazado simple de rayos en espejos y lentes, convergentes y divergentes. - Clasificación de sistemas ópticos según el foco Conceptos de óptica geométrica (II) - Concepto de campo y pupila - Definición de diafragma de entrada. Campo de visión. - Pupila de entrada y de salida. Escala de imagen (o de placa). - Definición y ejemplos de planos focales. - Definición y ejemplos de planos de pupila. - Escala de campo. Magnificación. - Emplazamiento de pupilas en telescopios ópticos e infrarrojos Telescopios. - Requerimientos. - Escala de placa y focal. - Reflectores. Catadióptricos. Refractores. - Ejemplos de escala de placa. La instrumentación tras el foco del telescopio. - Muestreo de señal. Resolución máxima de un telescopio. - Operación limitada por difracción y limitada por turbulencia. - El telescopio GTC: parámetros principales que impactan en la instrumentación Espectrógrafos. - Requerimientos. Ajuste de las escalas de placa - Definición de la pupila, focales. - Ejemplos de sistemas ópticos e infrarrojos. - Fibras ópticas. Características de la propagación de la luz por las fibras. Problemática de las fibras. FRD. Modos de propagación y tipos de fibras. Especificación de fibras ópticas. Ejemplo de prediseño de un espectrógrafo de fibras ópticas. 3

4 2.4.- Colimadores y Cámaras Colimadores FUNDAMENTOS ÓPTICOS E INSTRUMENTACIÓN (OP-004) - Funcionalidad y Requerimientos. - Ejemplos de colimadores (diseños de instrumentos astronómicos) Cámaras - Funcionalidad y Requerimientos. - Ejemplos de cámaras (diseños de instrumentos astronómicos) Otros sistemas ópticos (I) - Sistema de Óptica Adaptativa. Simulador de telescopio Otros sistemas ópticos (II) - Fotómetros. - Radiometría. Cantidades radiométricas. - Microscopios. - Microscopía - Resolución. Resolución máxima. Objetivos. - Operación del microscopio. - Tipos de microscopios o Microscopio de campo brillante o Microscopio en campo oscuro o Microscopio de contraste de fase o Otros tipos. Microscopio confocal o Microscopio de efecto túnel Módulo 3: Dispersión espectral Este módulo está específicamente dedicado a la Espectroscopia. Se comienza por la definición de los parámetros básicos para a continuación profundizar en los sistemas utilizados en Astronomía para la dispersión espectral: prismas, redes de difracción, grismas y redes holográficas volumétricas Dispersión espectral: elementos de espectroscopia - Fundamentos - Cálculo de la dispersión lineal y la resolución espectral - Fileteadores de imagen - Dispersores basados en el cambio de índice de refracción. Prismas. Ejemplos de prismas para un instrumento astronómico. - Dispersores basados en redes de difracción. Ecuación general. Dispersión angular, Órdenes múltiples. Resolución teórica máxima. Factor anamórfico. Condición de Littrow. Blaceado. Eficiencia de difracción. Ejemplos. Grismas de instrumentos astronómicos. 4

5 - Dispersores basados en redes holográficas. Ejemplos de VPHs de instrumentos astronómicos. Especificación. Montaje. Caracterización y pruebas. Eficiencia de las VPHs. Módulo 4: Instrumentación para medidas y cualificación óptica. El último módulo se dedicará a ejemplos de instrumentos específicos para el análisis óptico. La mayor parte de los ejemplos se ilustrarán con demostraciones en la sala Medición de planitud. Interferómetros - Interferómetro de Fizeau. - Interferómetro de Michelson. - Interferómetro de desplazamiento lateral: Shear plate Medición de aberraciones. - Test de PSF - Test de Hartmann. - Test de Foucault. - Test de Ronchi Medida de la longitud focal trasera (back focal length) Medida de radios de curvatura. 5