Resumen. Óptica. Óptica ondulatoria (física) Qué es la óptica? Ondas o partículas? Óptica física vs Óptica geométrica

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José Francisco Correa Navarrete
hace 6 años
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1 2. ÓPTICA FÍSICA

2 Resumen Óptica Qué es la óptica? Ondas o partículas? Óptica física vs Óptica geométrica Óptica ondulatoria (física) Ecuaciones de Maxwell. Soluciones en forma de ondas Índice de refracción de un medio y polarización Espectro EM: frecuencias y longitudes de onda típicas Revisiting diffraction

3 Óptica Qué es la óptica shur? La óptica es el estudio de las propiedades y el comportamiento de la luz

4 Óptica Qué es la óptica shur? La óptica es el estudio de las propiedades y el comportamiento de la luz Generalmente hablamos de luz visible

5 Óptica Qué es la óptica shur? La óptica es el estudio de las propiedades y el comportamiento de la luz Generalmente hablamos de luz visible La luz es una onda... o una partícula?

6 Óptica Qué es la óptica shur? La óptica es el estudio de las propiedades y el comportamiento de la luz Generalmente hablamos de luz visible La luz es una onda... o una partícula?

7 Para muestra, un botón: (a) Partícula (rayo) (b) Onda

8 El piano de David Guetta

9 Óptica geométrica vs Óptica física Qué es la óptica geométrica? Es el estudio del comportamiento de la luz en aquellos fenómenos en que se muestra como partículas (rayos). Qué es la óptica física u ondulatoria? Es el estudio del comportamiento de la luz en aquellos fenómenos en que se muestra como una onda.

muestra como partículas (rayos). Qué es la óptica física u ondulatoria?

10 Óptica geométrica vs Óptica física Qué es la óptica geométrica? Es el estudio del comportamiento de la luz en aquellos fenómenos en que se muestra como partículas (rayos). Qué es la óptica física u ondulatoria? Es el estudio del comportamiento de la luz en aquellos fenómenos en que se muestra como una onda.

11 Equivalencia de las formulaciones Importante Las dos formulaciones no son excluyentes. Cualquier fenómeno en el que la luz parezca comportarse como una onda también puede explicarse mediante teoría ondulatoria.

12 Equivalencia de las formulaciones Importante Las dos formulaciones no son excluyentes. Cualquier fenómeno en el que la luz parezca comportarse como una onda también puede explicarse mediante teoría ondulatoria. lo que pasa es que es puede ser MUCHO más complicado...

13 Equivalencia de las formulaciones Importante Las dos formulaciones no son excluyentes. Cualquier fenómeno en el que la luz parezca comportarse como una onda también puede explicarse mediante teoría ondulatoria. lo que pasa es que es puede ser MUCHO más complicado... Ejemplo Ley de Snell vs Teorema de extinción de Ewald-Oseen

14 Óptica física Cómo sabemos que la luz es una onda?

15 Óptica física Cómo sabemos que la luz es una onda? Tienen infinitas soluciones que dependen de la forma de los materiales conductores, de condiciones iniciales... Un montón de física preciosa!

materiales conductores, de condiciones iniciales.

16 Óptica física Cómo sabemos que la luz es una onda? Tienen infinitas soluciones que dependen de la forma de los materiales conductores, de condiciones iniciales... Un montón de física preciosa! Un conjunto de estas soluciones cumple ɛµ 2 E t 2 2 E x 2 = 0 ONDAS!!

17 Generalidades sobre las ondas EM A las soluciones ondulatorias de las ecuaciones de Maxwell se les llama ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (OEM)

18 Generalidades sobre las ondas EM A las soluciones ondulatorias de las ecuaciones de Maxwell se les llama ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (OEM) En cada punto del espacio hay dos campos que varían en el tiempo: uno magnético y otro eléctrico las ecs. de Maxwell aseguran que van retroalimentándose ( incluso en el vacío!) y propagándose

19 Generalidades sobre las ondas EM A las soluciones ondulatorias de las ecuaciones de Maxwell se les llama ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (OEM) En cada punto del espacio hay dos campos que varían en el tiempo: uno magnético y otro eléctrico las ecs. de Maxwell aseguran que van retroalimentándose ( incluso en el vacío!) y propagándose El campo E es siempre perpendicular al campo B

20 Generalidades sobre las ondas EM A las soluciones ondulatorias de las ecuaciones de Maxwell se les llama ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (OEM) En cada punto del espacio hay dos campos que varían en el tiempo: uno magnético y otro eléctrico las ecs. de Maxwell aseguran que van retroalimentándose ( incluso en el vacío!) y propagándose El campo E es siempre perpendicular al campo B E = c B

21 Generalidades sobre las ondas EM A las soluciones ondulatorias de las ecuaciones de Maxwell se les llama ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (OEM) En cada punto del espacio hay dos campos que varían en el tiempo: uno magnético y otro eléctrico las ecs. de Maxwell aseguran que van retroalimentándose ( incluso en el vacío!) y propagándose El campo E es siempre perpendicular al campo B E = c B Casi siempre, ambos son perpendiculares a la dirección de propagación u r E B = u r

22 Polarización (i) Qué es? E y B son perpendiculares a la dirección de propagación...

23 Polarización (i) Qué es? E y B son perpendiculares a la dirección de propagación... pero esto nos deja infinitas direcciones en las que pueden estar dirigidos

24 Polarización (i) Qué es? E y B son perpendiculares a la dirección de propagación... pero esto nos deja infinitas direcciones en las que pueden estar dirigidos Estas infinitas formas de orientación de los vectores E y B se llaman polarizaciones. Como E = c B y E B basta con que estudiemos la posición de uno de ellos. Se elige trabajar con E, por convenio.

25 Polarización (ii)

26 Polarización (iii) Lineal: E no cambia de dirección en la propagación.

27 Polarización (iii) Lineal: E no cambia de dirección en la propagación. Elíptica: E resultante es la suma de dos componentes desfasadas ( Como dos osciladores desfasados!) El extremo de E, describe una elipse en la propagación de la onda. La polarización circular es un caso especial en el que las componentes tienen un defase de π 2.

28 Polarización (iii) Lineal: E no cambia de dirección en la propagación. Elíptica: E resultante es la suma de dos componentes desfasadas ( Como dos osciladores desfasados!) El extremo de E, describe una elipse en la propagación de la onda. La polarización circular es un caso especial en el que las componentes tienen un defase de π 2. Luz natural (no polarizada): las direcciones de los campos van cambiando arbitrariamente. P. Ej.: la luz solar.

29 Interludio youtubero Polarización circular de ondas EM

30 Índice de refracción (i) Las propiedades eléctricas y magnéticas de un material son distintas a las que tiene el vacío. Recuerda la ecuación de las OEM ɛµ 2 E t 2 2 E x 2 = 0 Si cambian ɛ, µ... cambia la velocidad de la luz en el medio c 2 0 = 1 ɛ 0 µ 0 c 2 = 1 ɛµ, Índice de refracción n c 0 c n 1 Caracteriza efectivamente la densidad óptica

31 Índice de refracción (ii) Comentarios importantes En la realidad n = n(ω) dispersión dn(ω) dω > 0 disp. anómala Trataremos medios no absortivos (ω no cambia al atravesarlo) Ejemplo: interfase entre dos medios Dos medios con distinta densidad óptica: n 1 y n 2 No hay absorción: ω ν = 0 (mismo color) c 1 c 2, luego λ 1 λ 2

32 Espectro EM (i) Clasificación de ondas: espectro EM Las OEM pueden clasificarse por ν, por λ o por E Como son ondas: c = νλ ν λ Las OEM no se comportan como una onda material (lógico...) E material ω 2 E luz ω Esta relación de dispersión lineal surge naturalmente de la mecánica cuántica (ondas de materia y dualidad de de Broglie) E photon = hω, h h 2π

33 Espectro EM (ii)

$Espectro EM (iii) El espectro visible El rango óptico o visible es una pequeña fracción del total Las$

34 Espectro EM (iii) El espectro visible El rango óptico o visible es una pequeña fracción del total Las ν altas (λ cortas) corresponden a tonos azulados Las ν cortas (λ largas) corresponden a tonos rojizos

35 Difracción

36 Difracción (i) Qué es la difracción? Es un efecto característico del comportamiento ondulatorio Es un fenómeno de interferencia Se produce al interaccionar una onda con un obstáculo si l caracteristica λ onda

$Difracción (i) Qué es la difracción?$ ondulatorio Es un fenómeno de interferencia Se

37 Difracción (i) Qué es la difracción? Es un efecto característico del comportamiento ondulatorio Es un fenómeno de interferencia Se produce al interaccionar una onda con un obstáculo si l caracteristica λ onda

38 (n) Luna (ñ) Focos (o) Niebla Difracción (ii) (k) Estrellas (l) Estrellas (m) Farola

39 Difracción (iii) (p)

40 Difracción (iii) (s) (t)

41 Difracción (iii) (v) (w) (x)

42 Difracción (iv)

$Difracción (iv) Figure 2: Single-shot diffraction patterns on single virus$

43 Difracción (iv) Figure 2: Single-shot diffraction patterns on single virus particles give interpretable results. Nature 470, (2011), doi: /nature09748

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Antes de empezar el tema Movimiento ondulatorio = aquel en el que se propaga energía pero no materia, mediante la propagación de una perturbación llamada onda. Mecánicas Según medio de propagación Electromagnéticas