26.3: Otros temas

objetivos de aprendizaje

• Describir el proceso que conduce a la interferencia de película delgada

Interferencia de película delgada

Este es un fenómeno que ocurre cuando los rayos incidentes reflejados por los límites superior e inferior de una película delgada interfieren entre sí y forman una nueva ola. Se considera que un material es una película delgada si su espesor está en el rango de subnanómetro a micrón, por ejemplo, una burbuja de jabón. Estudiar la nueva ola puede arrojar luz sobre las propiedades de la película, como el grosor o el índice de refracción. Los efectos de interferencia son más prominentes cuando la luz interactúa con algo que tiene un tamaño similar a su propia longitud de onda. El espesor de una película delgada es algunas veces menor que la longitud de onda de la luz, λ. El color se asocia indirectamente con la longitud de onda. La relación de interferencia entre la longitud de onda y el tamaño del objeto provoca la aparición de colores.

Interferencia de Película Delgada: En este video continúo con mis tutoriales sobre Electromagnetismo a Óptica que se presenta a nivel universitario de licenciatura. He pretendido desde hace mucho tiempo grabar videos que describan la transición hecha del electromagnetismo clásico a la óptica. En muchos aspectos estos videos cubrirán la óptica 'de onda'. Dedico mucho tiempo a discutir la compleja representación exponencial de las ondas, las ecuaciones de Maxwell, la ecuación de onda etc.Específicamente aquí, derivo la fórmula para la diferencia de trayectoria óptica y la diferencia de fase para una 'onda' de luz que se propaga a través de una película delgada. Esta expresión puede ser utilizada para recubrimientos antirreflectantes. La diferencia de fase es el producto de la trayectoria óptica differene y el vector de onda k.Espero que sea de utilidad!! Gracias por ver y espero que esto coincida con sus requisitos.

Interferencia de Película Delgada en Aceite: La interferencia de película delgada se puede ver en esta arena de aceite.

Ejemplos de interferencia de película delgada

Probablemente hayas sido testigo de la interferencia de película delgada en tu vida cotidiana y simplemente no te diste cuenta. Siempre que veas el brillante, colores como arcoíris en aceite flotando en el agua, se muestra en, esto es interferencia de película delgada. Los colores que aparecen en las burbujas con las que juegan los niños también son el resultado de la interferencia de película delgada. La interferencia de película delgada puede tener aplicaciones comerciales, como recubrimientos anti-reflexión y filtros ópticos.

Cómo funciona

muestra un diagrama de cómo funciona la interferencia de película delgada. A medida que la luz incide sobre la superficie de una película, se transmite o se refleja en la superficie superior. La luz que se transmite llega a la superficie inferior y puede volver a transmitirse o reflejarse. La luz reflejada desde las superficies superior e inferior interferirá. El grado de interferencia constructiva o destructiva entre las dos ondas de luz depende de la diferencia en su fase. Esta diferencia depende del grosor de la capa de película, el índice de refracción de la película y el ángulo de incidencia de la onda original en la película. Adicionalmente, se puede introducir un desplazamiento de fase de 180° o ππ radianes tras la reflexión en un límite dependiendo de los índices de refracción de los materiales a cada lado de dicho límite. Este desplazamiento de fase se produce si el índice de refracción del medio por el que viaja la luz es menor que el índice de refracción del material por el que está golpeando. En otras palabras, si n1<n2n1<n2y la luz está viajando del material 1 al material 2, entonces se producirá un desplazamiento de fase tras la reflexión. El patrón de luz que resulta de esta interferencia puede aparecer como bandas claras y oscuras o como bandas coloridas dependiendo de la fuente de la luz incidente.

Luz sobre una Película Delgada: Luz incidente sobre una película delgada. Demostración de la diferencia de longitud de trayectoria óptica para la luz reflejada desde los límites superior e inferior.

La interferencia será constructiva si la diferencia de trayectoria óptica es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz:

\[2 \mathrm { n } _ { 2 } \mathrm { d } \cos \left( \theta _ { 2 } \right) = \mathrm { m } \lambda\]

donde mm es el número entero, dd es el grosor de la película y λλ es la longitud de onda de la luz. Sin embargo, esta condición puede cambiar si se producen cambios de fase tras la reflexión.

Polarización al pasar la luz a través de polarizadores

La polarización es el atributo de que las oscilaciones de onda tienen una dirección definida relativa a la dirección de propagación de la onda.

objetivos de aprendizaje

• Discutir la polarización de las ondas electromagnéticas

Definición de Polarización

Como discutimos en átomos anteriores, las ondas de luz son un tipo de ondas electromagnéticas, en el espectro visible. Estas ondas electromagnéticas (EM) son ondas transversales. La Figura 1 demuestra que una onda transversal es una que oscila perpendicular a la dirección de la transferencia de energía. Si la ola viaja de izquierda a derecha, está oscilando hacia arriba y hacia abajo. La polarización es la propiedad de las ondas que les permiten oscilar en más de una dirección, pero esa dirección es relativa a la de la dirección en la que viaja la onda. Para una onda EM, la dirección de polarización es la dirección paralela al campo eléctrico. En la Figura 2 se puede observar que el EM y los campos magnéticos son perpendiculares a la trayectoria de desplazamiento. Dado que la dirección de polarización es paralela al campo eléctrico, se puede considerar que las flechas azules son la dirección de polarización.

Figura 2: Una onda EM, como la luz, es una onda transversal. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación.

Figura 1: Ondas Transversales

Cómo funciona

Ahora, para examinar los efectos del paso de la luz a través de un polarizador, veamos la Figura 3. muestra una ranura vertical estacionaria, que actuará como polarizador, y dos ondas que viajan en la misma dirección, pero una está oscilando verticalmente, a, (y por lo tanto polarizada verticalmente), y la otra, b, horizontalmente. ¿Qué pasa con estas ondas a medida que pasan por el polarizador? Cuando la onda a, la onda oscilante verticalmente pasa a través de la ranura polarizada verticalmente, no pasa nada. La ola pasa intacta o manipulada. Cuando la onda b, la onda oscilante horizontalmente pasa a través, la ranura polarizada verticalmente bloquea la onda, y no se pasa a través en absoluto. Ahora que entendemos el concepto de polarización, y cómo funciona, ¿cómo podemos aplicarlo para que sea útil? Mira la Figura 4. La imagen de la izquierda está llena de resplandor, lo que dificulta ver lo que estamos viendo. La imagen de la derecha fue tomada con una lente polarizada, por lo que sólo se ve la imagen, y ninguno de los molestos reflejos. Cómo funciona esto se esquematiza en la Figura 5. Muchas fuentes de luz no están polarizadas y están compuestas por muchas ondas en todas las direcciones posibles. Las lentes polarizadas solo permiten que pase una dirección de la luz, minimizando los aspectos no deseados de los rayos de luz, como el deslumbramiento. Simplemente, pasar la luz a través de un material polarizado cambia la intensidad de la luz.

Figura 5: Un filtro polarizador tiene un eje de polarización que actúa como una hendidura que pasa a través de campos eléctricos paralelos a su dirección. La dirección de polarización de una onda EM se define como la dirección de su campo eléctrico.

Figura 4: Estas dos fotografías de un río muestran el efecto de un filtro polarizador en la reducción del resplandor en la luz reflejada desde la superficie del agua. La parte (b) de esta figura se tomó con un filtro polarizador y la parte (a) no. En consecuencia, el reflejo de nubes y cielo observado en la parte (a) no se observa en la parte (b). Las gafas de sol polarizantes son particularmente útiles en la nieve y el agua. (crédito: Amithshs, Wikimedia Commons)

Figura 3: Ejemplo de paso de luz a través de un polarizador

Intensidad

Vamos a llamar al ángulo entre la dirección de polarización y el eje del filtro de polarización θ. La intensidad original de la luz antes de que pase a través de un filtro se denota con I ₀. Con el fin de encontrar la nueva intensidad de la luz después de viajar a través del material se muestra mediante la siguiente ecuación:

\[\mathrm{I = I_0 \cos 2 \theta}\]

Si pasa la luz a través de dos filtros polarizadores, obtendrá variados efectos de polarización. Si los dos filtros están orientados exactamente perpendiculares entre sí, ninguna luz pasará a través en absoluto. Si son exactamente paralelos entre sí, no habrá ningún efecto adicional del filtro adicional.

Polarización por dispersión y reflexión

La luz no polarizada se puede polarizar artificialmente, así como por fenómenos naturales como la reflexión y la dispersión.

objetivos de aprendizaje

• Calcular el ángulo de reflexión de la polarización completa a partir de índices de refracción

Polarización por reflexión

En el átomo anterior discutimos cómo funcionan las lentes polarizadas. En el caso de las gafas de sol polarizadas, por ejemplo, cuando miras a través de ellas, la luz reflejada no se filtra completamente; la luz reflejada puede ser ligeramente polarizada por el proceso de reflexión (como se muestra en). La mayoría de las fuentes de luz producen luz no polarizada. Cuando la luz golpea una superficie reflectante, los aspectos polarizados verticalmente de esa luz se refractan en esa superficie. La luz reflejada es más polarizada horizontalmente. Para recordarlo mejor, podemos pensar en la luz como una flecha y la superficie reflectante como un objetivo. Si la flecha golpea el objetivo perpendicularmente (polarizada verticalmente), se va a pegar en el objetivo (se refractará en la superficie). Si la flecha golpea el objetivo en su lado (polarizada horizontalmente) entonces rebotará de inmediato (se reflejará).

Polarización por reflexión: La luz no polarizada tiene cantidades iguales de polarización vertical y horizontal. Después de la interacción con una superficie, los componentes verticales son preferentemente absorbidos o refractados, dejando la luz reflejada más polarizada horizontalmente. Esto es similar a las flechas que golpean en sus costados rebotando, mientras que las flechas que golpean en sus puntas entran en la superficie.

Dado que la luz se divide en dos, y parte de ella se refracta, la cantidad de polarización a la luz reflejada depende del índice de refracción de la superficie reflectante. Podemos usar la siguiente ecuación para determinar el ángulo de reflexión en el que la luz estará completamente polarizada:

\[\tan \theta _ { \mathrm { b } } = \dfrac { \mathrm { n } _ { 2 } } { \mathrm { n } _ { 1 } }\]

donde: θ _b = ángulo de reflexión de polarización completa (también conocido como ángulo de Brewster); n ₁ = índice de refracción del medio en el que viajará la luz reflejada; y n ₂ = índice de refracción del medio por el cual se refleja la luz.

Polarización por dispersión

Así como la luz no polarizada puede polarizarse parcialmente reflejando, también se puede polarizar por dispersión (también conocida como dispersión Rayleigh; ilustrado en). Dado que las ondas de luz son ondas electromagnéticas (EM) (y las ondas EM son ondas transversales) harán vibrar los electrones de las moléculas de aire perpendiculares a la dirección en la que están viajando. Los electrones producen entonces radiación (actuando como antenas pequeñas) que se polariza perpendicular a la dirección del rayo. La luz paralela al rayo original no tiene polarización. La luz perpendicular al rayo original está completamente polarizada. En todas las demás direcciones, la luz dispersada por el aire estará parcialmente polarizada.

Polarización por dispersión: También conocida como dispersión Rayleigh. La dispersión de luz no polarizada de las moléculas de aire sacude sus electrones perpendicularmente a la dirección del rayo original. Por lo tanto, la luz dispersa tiene una polarización perpendicular a la dirección original y ninguna paralela a la dirección original.

Dispersión de Luz por la Atmósfera

La dispersión de Rayleigh describe las moléculas de gas del aire que dispersan la luz a medida que ingresa a la atmósfera; también describe por qué el cielo es azul.

objetivos de aprendizaje

• Describir la relación onda-partícula que conduce a la dispersión de Rayleigh y aplicarla para explicar fenómenos comunes

Rayleigh Dispersión

La dispersión de Rayleigh es la dispersión elástica de las ondas por partículas que son mucho más pequeñas que las longitudes de onda de esas ondas. Las partículas que dispersan la luz también necesitan tener un índice de refracción cercano a 1. Esta ley se aplica a toda radiación electromagnética, pero en este átomo nos vamos a centrar específicamente en por qué la atmósfera dispersa el espectro visible de las ondas electromagnéticas, también conocidas como luz visible. En este caso, la luz es dispersada por las moléculas de gas de la atmósfera, y el índice de refracción del aire es 1.

La dispersión de Rayleigh se debe a la polarizabilidad de una molécula individual. Esta polaridad describe cuánto vibrarán las cargas eléctricas en la molécula en un campo eléctrico. La fórmula para calcular la intensidad de la dispersión para una sola partícula es la siguiente:

\[\mathrm { I } = \mathrm { I } _ { 0 } \dfrac { 8 \pi ^ { 4 } \alpha ^ { 2 } } { \lambda ^ { 4 } \mathrm { R } ^ { 2 } } \left( 1 + \cos ^ { 2 } \theta \right)\]

donde I es la intensidad resultante, I ₀ es la intensidad original, α es la polarizabilidad, λ es la longitud de onda, R es la distancia a la partícula y θ es el ángulo de dispersión.

Si bien probablemente no necesitará usar esta fórmula, es importante entender que la dispersión tiene una fuerte dependencia de la longitud de onda. De la fórmula, podemos ver que una longitud de onda más corta se dispersará más fuertemente que una más larga (cuanto más larga sea la longitud de onda, mayor será el denominador, y a partir del álgebra sabemos que un denominador mayor en una fracción significa un número menor).

¿Por qué es el Sky Blue?

Como acabamos de aprender, la dispersión de la luz es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz. Entonces, cuanto más corta sea la longitud de onda, más se dispersará. Dado que el verde y el azul tienen longitudes de onda relativamente cortas, se ve una mezcla de estos colores en el cielo, y el cielo parece ser azul. Cuando miras más y más cerca del sol, la luz no se está dispersando porque se acerca a un ángulo de 90 grados con las partículas dispersantes. Dado que la luz se está dispersando cada vez menos, se ven las longitudes de onda más largas, como el rojo y el amarillo. Es por ello que el sol parece ser de un color amarillo claro.

¿Por qué los atardeceres son coloridos?

muestra una puesta de sol. Sabemos por qué el cielo es azul, pero ¿por qué hay todos esos colores en una puesta de sol? El enrojecimiento que ocurre cerca del horizonte se debe a que la luz tiene que pasar a través de un volumen de aire significativamente mayor que cuando el sol está alto en el cielo. Esto aumenta el efecto de dispersión de Rayleigh y elimina toda la luz azul de la trayectoria directa del observador. El resto de la luz no dispersada es de longitudes de onda más largas y así aparece naranja.

Atardecer: Un gradiente de colores en el cielo durante la puesta del sol

Dispersión del espectro visible

La dispersión es la difusión de la luz blanca en todo su espectro de longitudes de onda; este fenómeno se puede observar en prismas y arcoíris.

objetivos de aprendizaje

• Describir el proceso de dispersión

El espectro visible

Dentro del espectro electromagnético, solo hay una porción que es visible para el ojo humano. La luz visible es el rango de longitudes de onda de radiación electromagnética que los humanos pueden ver. Para un ojo humano típico, este oscila entre 390 nm y 750 nm. muestra esta gama y los colores asociados a ella:

El Espectro Visible: Espectro Visible, representado linealmente

• Violeta: 380-450 nm
• Azul: 450-495 nm
• Verde: 495-570 nm
• Amarillo: 570-590 nm
• Naranja: 590-620 nm
• Rojo: 620-750 nm

Como puedes ver en, estos son los colores de un arcoíris y no es casualidad.

Dispersión

La dispersión es la difusión de la luz blanca en su espectro completo de longitudes de onda. ¿Cómo sucede esto? El índice de refracción es diferente para cada medio por el que viaja la luz, como aprendimos en átomos anteriores. Cuando un rayo de luz ingresa a un medio con un índice de refracción diferente, la luz se dispersa, como se muestra con un prisma. Cuando la luz blanca entra en el prisma, se propaga. Dado que el índice de refracción varía con la longitud de onda, la luz se refracta en diferentes ángulos a medida que sale, haciendo que los rayos de luz que salen aparezcan como un arco iris, o como una secuencia de longitudes de onda decrecientes, de rojo a violeta.

Luz y prisma de vidrio: (a) Una longitud de onda pura de luz cae sobre un prisma y se refracta en ambas superficies. (b) La luz blanca es dispersada por el prisma (se muestra exagerada). Dado que el índice de refracción varía con la longitud de onda, los ángulos de refracción varían con la longitud de onda. Se produce una secuencia de rojo a violeta, debido a que el índice de refracción aumenta constantemente con la disminución de la longitud de onda.

Este mismo principio se puede aplicar a los arcoíris. Referirse a. Los arcoíris no sólo son causados por la refracción, como los prismas, sino también por la reflexión. La luz entra en una gota de agua y se refleja desde la parte posterior de la gotita. La luz se refracta una vez a medida que entra en la gota, y nuevamente como está sale la gota. En agua, el índice de refracción varía con la longitud de onda, por lo que la luz se dispersa.

Luz y Gotita de Agua: Parte de la luz que cae sobre esta gota de agua entra y se refleja desde la parte posterior de la gota. Esta luz se refracta y dispersa tanto a medida que entra como a medida que sale de la gota.

Puntos Clave

• Cuando la luz incidente alcanza la película delgada, se refleja parcialmente y pasa a través de la capa inferior de la película. La diferencia en los índices de refracción del aire y la película hace que la luz cambie de dirección e interfiera con la porción reflejada del rayo cuando emerge.
• Esta interferencia puede ser constructiva, producir colores brillantes, o destructiva, produciendo colores más oscuros.
• La interferencia será constructiva si la diferencia de trayectoria óptica es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz.
• La dirección de polarización es paralela a la dirección del campo eléctrico asociado a una onda electromagnética, que incluye ondas de luz.
• Al emplear las propiedades de polarización de las ondas, empresas como Polariod pudieron producir materiales que filtran las ondas de luz no deseadas y minimizan la intensidad de la luz.
• Los materiales de polarización se pueden orientar en diferentes ángulos para producir diferentes efectos. La nueva intensidad de la luz después de pasar por estos materiales se puede encontrar usando la siguiente fórmula: I=I ₀ cos2θ.
• Cuando la luz no polarizada golpea una superficie reflectante, los aspectos polarizados verticalmente se refractan en la superficie. Los aspectos polarizados horizontalmente se reflejan fuera de la superficie y la luz ahora se percibe como parcialmente polarizada.
• Cuando se refleja la luz, hay un ángulo en el que esta luz se polariza completamente. A esto se le llama ángulo de Brewster, después del físico escocés que descubrió la ley.
• La luz no polarizada también puede polarizarse cuando se dispersa en el aire (también conocida como dispersión Rayleigh). Esto ocurre debido a que las ondas EM hacen que el electrón en el aire vibre, produciendo radiación y provocando polarización de la luz.
• El fenómeno de la dispersión de la luz se llama dispersión de Rayleigh; puede sucederle a cualquier onda electromagnética. Solo ocurre cuando las ondas se encuentran con partículas que son mucho más pequeñas que las longitudes de onda de las ondas.
• La cantidad que se dispersa la luz es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz. Por esta razón, la luz de longitud de onda más corta como los verdes y los azules se dispersan más fácilmente que las longitudes de onda más largas como amarillos y rojos.
• A medida que miras más cerca de la fuente de luz del cielo, el sol, la luz se dispersa cada vez menos porque el ángulo entre el sol y las partículas dispersantes se acerca a los 90 grados. Es por ello que el sol tiene un color amarillento cuando lo miramos desde la Tierra mientras que el resto del cielo aparece azul.
• En el espacio exterior, donde no hay atmósfera y por lo tanto no hay partículas para dispersar la luz, el cielo aparece negro y el sol aparece blanco.
• Durante una puesta de sol, la luz debe pasar a través de un mayor volumen de aire. Esto aumenta el efecto de dispersión, haciendo que la luz en la trayectoria directa del observador aparezca naranja en lugar de azul.
• La dispersión es un efecto secundario de la ley de refracción. Como los ángulos de refracción dependen de la longitud de onda, cuando la luz ingresa a un medio con un índice de refracción diferente, se puede dispersar, como un prisma.
• La dispersión de la luz blanca a menudo puede hacer que la luz refractada se observe en orden de aumentar o disminuir la longitud de onda, causando un efecto de arco iris.
• Como se puede ver en el espectro visible, hay algunos colores que percibe el cerebro que no están incluidos. Esto se debe a que algunos colores son una mezcla de diferentes longitudes de onda, como el rosa y el magenta.

Términos Clave

• rayo incidente: El rayo de luz que golpea la superficie.
• interferencia: Un efecto causado por la superposición de dos sistemas de ondas, como una distorsión en una señal de difusión debido a efectos atmosféricos u otros efectos.
• longitud de onda: La longitud de un solo ciclo de una onda, medida por la distancia entre un pico o canal de una onda y el siguiente; a menudo se designa en física como λ, y corresponde a la velocidad de la onda dividida por su frecuencia.
• oscilar: Para balancearse hacia adelante y hacia atrás, especialmente si con un ritmo regular.
• índice de refracción: Para un material, la relación entre la velocidad de la luz en vacío y la del material.
• polarización: La producción de luz polarizada; la dirección en la que apunta el campo eléctrico de una onda electromagnética.
• radiación electromagnética: radiación (cuantificada como fotones) que consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes orientados perpendicularmente entre sí, moviéndose por el espacio
• polarizabilidad: La tendencia relativa de un sistema de cargas eléctricas a polarizarse en presencia de un campo eléctrico externo
• refracción: Cambio de dirección de un rayo de luz cuando pasa por variaciones en la materia.
• reflexión: la propiedad de una onda propagada que se arroja hacia atrás desde una superficie (como un espejo)
• dispersión: La separación de la luz visible por refracción o difracción.

LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

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• Paul Padley, Interferencia de Película Delgada. 17 de septiembre de 2013. Proporcionado por: OpenStax CNX. Ubicado en: http://cnx.org/content/m12910/latest/. Licencia: CC BY: Atribución
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