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26.4: Aplicaciones de la Óptica Onda

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    objetivos de aprendizaje

    • Comparar microscopía óptica y electrónica

    Los microscopios se utilizan para ver objetos que no se pueden ver a simple vista. En esta sección discutiremos tanto la microscopía óptica como la electrónica.

    Microscopía óptica

    Probablemente hayas usado un microscopio óptico en una clase de ciencias de secundaria. En la microscopía óptica, la luz reflejada desde un objeto pasa a través de las lentes del microscopio; esto magnifica la luz. La imagen resultante, magnificada, es entonces vista por el ojo. Si bien este tipo de microscopía tiene muchas limitaciones, existen varias técnicas que utilizan propiedades de la luz y la óptica para potenciar la imagen ampliada:

    • Campo brillante: Esta técnica aumenta el contraste al iluminar desde abajo la superficie sobre la que se asientan los objetos.
    • Iluminación oblicua: Esta técnica ilumina el objeto desde un lado, dándole una apariencia tridimensional y resaltando rasgos que de otro modo no serían visibles.
    • Campo oscuro: Esta técnica es buena para mejorar el contraste de objetos transparentes. Una fuente de luz cuidadosamente alineada minimiza la luz no dispersada que ingresa al plano del objeto y así solo recoge la luz que es dispersada por el objeto mismo.
    • Tinción de dispersión: Esto da como resultado una imagen coloreada de un objeto incoloro; en realidad no requiere que el objeto se tiñe.
    • Contraste de fase: Se utiliza el índice de refracción de un objeto para mostrar diferencias en la densidad óptica como una diferencia en el contraste. proporciona una demostración de esta técnica.

    Microscopía Electrónica

    Los microscopios electrónicos utilizan haces de electrones para lograr resoluciones más altas que las posibles en microscopía óptica. Dos tipos de microscopios electrónicos son:

    • Microscopio electrónico de transmisión (TEM): El TEM envía un haz de electrones a través de una delgada porción de una muestra. El electrón interactúa con el espécimen y luego se transmite a papel fotográfico o a una pantalla. Dado que los haces de electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la luz tradicional, la resolución de la imagen resultante es mucho mayor.
    • Microscopio electrónico de barrido (SEM): El SEM muestra detalles sobre la superficie de un espécimen y produce una vista tridimensional al escanear el especímen. muestra una imagen SEM de polen.

    El Espectrómetro

    Un espectrómetro utiliza las propiedades de la luz para identificar átomos midiendo la longitud de onda y la frecuencia, que son funciones de la energía radiada.

    objetivos de aprendizaje

    • Comparar el diseño y la función de espectrómetros tempranos y modernos

    El Espectrómetro

    Un espectrómetro es un instrumento utilizado para medir intensamente la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético, para identificar materiales. El instrumento produce líneas, muy parecidas a las producidas a partir de rejillas de difracción cubiertas en un átomo anterior, para luego medir las longitudes de onda e intensidades de esas líneas.

    muestra un diagrama de cómo funciona un espectrómetro. La fuente se coloca frente a un espejo, que refleja la luz emitida desde ese objeto sobre una rejilla de difracción. Esta rejilla luego dispersa la luz emitida a un espejo de antera que extiende las diferentes longitudes de onda resultantes y las refleja en un detector que registra los hallazgos. Este tipo de instrumento se utiliza en espectroscopía.

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    Diagrama del espectrómetro: Este diagrama muestra las vías de luz en un espectrómetro.

    Espectroscopia

    La espectroscopia estudia la interacción entre la materia y la energía radiada. Esta energía radiada es una función de la longitud de onda y la frecuencia. Cada tipo de átomo tiene su propia frecuencia. Cuando el espectrómetro produce una lectura, el observador puede entonces utilizar la espectroscopia para identificar los átomos y por lo tanto las moléculas que componen ese objeto.

    Espectroscopios

    Los espectroscopios se utilizan en una variedad de campos, como la astronomía y la química. Utilizan una rejilla de difracción, una hendidura móvil y un fotodetector. Todos estos elementos son controlados por una computadora, que registra los hallazgos. Un material se calienta a la incandescencia y emite una luz que es característica de su composición atómica. Cada átomo tiene su propia 'huella digital' espectroscópica. En se puede ver un espectroscopio muy sencillo basado en un prisma. Como otro ejemplo, el Sodio produce una doble banda amarilla.

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    Un espectroscopio simple: Un espectroscopio muy simple basado en un prisma

    El interferómetro Michelson

    El interferómetro Michelson es la configuración más común para la interferometría óptica.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar cómo funciona el interferómetro Michelson

    Interferometría

    Antes de poder discutir el Interferómetro Michelson, es importante que primero entendamos la interferometría, que se refiere a técnicas que utilizan ondas superpuestas para extraer información sobre las ondas. Más simplemente, utiliza la interferencia que experimentan estas ondas para realizar mediciones precisas de las ondas. Se utiliza en muchas áreas de la ciencia, como astronomía, ingeniería, oceanografía, física y fibra óptica.

    Las aplicaciones populares de la interferometría en la industria incluyen la medición de pequeños desplazamientos, cambios en el índice de refracción e irregularidades superficiales. Como se muestra en átomos anteriores, cuando se combinan dos ondas con la misma frecuencia, el patrón resultante está determinado por la diferencia de fase entre las dos. La interferencia constructiva ocurre cuando las ondas están en fase, y la interferencia destructiva ocurre cuando están desfasadas. La interferometría utiliza este principio para combinar ondas y estudiar la onda resultante con el fin de obtener información sobre el estado original de las ondas.

    El interferómetro Michelson

    La herramienta más común en interferometría, el Interferómetro Michelson, que se muestra en la Figura 1, fue inventado por Albert Abraham Michelson, el primer estadounidense en ganar un Premio Nobel de ciencia. El interferómetro funciona dividiendo un haz de luz en dos caminos, rebotándolos hacia atrás y luego recombinándolos para crear un patrón de interferencia. Para crear franjas de interferencia en un detector (ver Figura 2), las trayectorias pueden ser de diferentes longitudes o estar compuestas de diferentes materiales.

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    Flecos en un Interferómetro Michelson: Franjas coloreadas y monocromáticas en un interferómetro Michelson: a) Franjas de luz blanca donde los dos haces difieren en el número de inversiones de fase; b) Franjas de luz blanca donde los dos haces han experimentado el mismo número de inversiones de fase; y c) Patrón de flecos mediante luz monocromática (líneas D de sodio).

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    Interferómetro Michelson: Un Interferómetro Michelson.

    La Figura 3 muestra un diagrama de cómo funciona un Interferómetro Michelson. M 1 y M2 son dos espejos altamente pulidos, S es la fuente de luz, M es un espejo medio plateado que actúa como divisor de haz cuando la luz golpea la superficie, y C es un punto en M que es parcialmente reflectante. Cuando la viga S llega a este punto en M se divide en dos haces. Un haz se refleja en la dirección de A y el otro se transmite a través de la superficie de M hasta el punto B. A y B son ambos puntos en los espejos altamente pulidos (y por lo tanto reflectantes) M 1 y M2. Cuando los haces golpean estos puntos, luego se reflejan de nuevo al punto C', donde se recombinan para producir un patrón de interferencia. En el punto E, el patrón de interferencia producido en el punto C' es visible para un observador.

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    Figura 3: Este diagrama de un Interferómetro Michelson muestra la trayectoria que recorren las ondas de luz en el instrumento.

    Aplicaciones

    El Interferómetro Michelson se ha utilizado para la detección de ondas gravitacionales, como filtro de banda estrecha sintonizable y como núcleo de la espectroscopia de transformada de Fourier. Ha jugado un papel importante en los estudios de la atmósfera superior, revelando temperaturas y vientos (empleando instrumentos espaciales y terrestres) midiendo los anchos Doppler y los cambios en los espectros de resplandor y aurora. La aplicación más conocida del Interferómetro Michelson es el experimento de Michelson-Morley, un intento fallido de demostrar el efecto del hipotético “viento etéreo” en la velocidad de la luz. Su experimento dejó sin apoyo experimental teorías de la luz basadas en la existencia de un aether luminífero, y en última instancia sirvieron de inspiración para una relatividad especial.

    LCDs

    Las pantallas de cristal líquido utilizan cristales líquidos que no emiten luz, sino que utilizan las propiedades moduladoras de la luz de los cristales.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar cómo las pantallas de cristal líquido producen imágenes y discuten sus beneficios y deficiencias

    LCDs

    LCD significa una pantalla de cristal líquido. Los propios cristales líquidos no emiten luz, pero la pantalla utiliza las propiedades moduladoras de luz de los cristales. Los LCD se pueden usar para mostrar imágenes arbitrarias, como en un monitor de computadora o televisión, mediante el uso de una gran cantidad de píxeles muy pequeños, o pueden usarse para mostrar imágenes fijas, como un reloj digital, como en.

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    Reloj digital: Un reloj digital que utiliza LCD para ocultar o mostrar imágenes fijas.

    A diferencia del tubo de rayos catódicos (CRT) más nuevos y las pantallas de plasma, las LCDS no utilizan fósforos. Por esta razón no sufren quemadura de imagen. Sin embargo, sufren persistencia de imagen. La quemadura de imagen ocurre cuando una imagen se muestra tantas veces, o durante tanto tiempo, que se puede ver un contorno de imagen incluso cuando la pantalla está apagada. La persistencia de la imagen es similar, pero el contorno se desvanece poco después de apagar la pantalla y no es permanente.

    Las pantallas LCD se componen de numerosas capas. Una capa típica se esquematiza en. Cada píxel de una LCD consiste en una capa de moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes y dos películas polarizantes, y los cristales líquidos reales se encuentran entre estos filtros polarizantes. La luz pasa a través del primer filtro, y es bloqueada por el segundo. Los electrodos se utilizan para alinear los cristales en una dirección particular, lo que produce la imagen vista en la pantalla. Los cristales no emiten ninguna luz, sino que le dan a la luz una forma específica para ser emitida.

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    Capas de Pantallas LCD: Película filtrante polarizante con un eje vertical para polarizar la luz a medida que entra. Sustrato de vidrio con electrodos ITO. Las formas de estos electrodos determinarán las formas que aparecerán cuando se encienda la pantalla LCD. Las crestas verticales grabadas en la superficie son lisas.Cristal líquido nemático retorcido.Sustrato de vidrio con película de electrodo común (ITO) con crestas horizontales para alinearse con el filtro horizontal.Película filtrante polarizante con un eje horizontal para bloquear/pasar la luz.Superficie reflectante para enviar la luz de vuelta al espectador. (En una pantalla LCD retroiluminada, esta capa se reemplaza con una fuente de luz).

    Dispositivos Nemáticos Torcidos

    El dispositivo nemático retorcido es la aplicación LCD más común. Cuando no se aplica campo eléctrico, las direcciones de alineación de la superficie en los electrodos son perpendiculares entre sí. Las moléculas se disponen en una estructura helicoidal (estructura retorcida). Alguna luz es capaz de atravesar y otra no, por lo que el resultado es que la pantalla aparece gris. Cuando se aplica el campo eléctrico, los cristales en la capa central se desenroscan, y la luz queda completamente bloqueada para que no pase a través y esos píxeles aparecerán negros.

    Uso de interferencias para leer CDs y DVDs

    Los discos ópticos son medios de almacenamiento digitales leídos en una unidad de disco óptico usando rayo láser.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar cómo se almacena la información en los discos ópticos

    Visión general

    Los discos compactos (CD) y los discos de video digital (DVD) son ejemplos de discos ópticos. Se leen en una unidad de disco óptico que dirige un rayo láser al disco. El lector detecta entonces si el haz ha sido reflejado o disperso.

    Función de los discos digitales

    Los discos ópticos son medios de almacenamiento digital. Pueden almacenar música, archivos, películas, fotos etc. Estos discos son planos, generalmente hechos de aluminio, y tienen fosas microscópicas y tierras en una de las superficies planas (como se muestra en). La información de estos discos es leída por una computadora en forma de datos binarios. Primero, se dispara un rayo láser en el disco. Si el rayo choca con un terreno, se refleja de nuevo y se registra como un valor de 1. Si el haz choca con un hoyo, se dispersa y se registra como un valor de cero.

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    Versión temprana de un disco óptico: En esta versión temprana de un disco óptico, se pueden ver los pozos y tierras que reflejan la luz trasera o la dispersan.

    Estas fosas y tierras microscópicas cubren toda la superficie del disco en una trayectoria en espiral, comenzando en el centro y abriéndose camino hacia afuera. Los datos son almacenados ya sea por una máquina de estampación o láser y se leen cuando los datos son iluminados por un diodo láser en la unidad de disco. El disco gira a una velocidad más rápida cuando se lee en la pista central, y más lento para una pista exterior. Esto se debe a que las pistas centrales son más pequeñas en circunferencia y por lo tanto se pueden leer más rápido.

    Estos fosos también actúan como hendiduras y provocan que la luz se difracte a medida que se refleja hacia atrás, lo que provoca un efecto iridiscente. Esto explica el patrón arcoíris que se ve en la parte posterior de un CD, como se muestra en.

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    Disco Compacto: La superficie inferior de un disco compacto que muestra iridiscencia característica.

    Puntos Clave

    • En la microscopía óptica, la luz reflejada desde un objeto pasa a través de las lentes del microscopio; esto magnifica la luz. La imagen resultante, magnificada, es entonces vista por el ojo. Esta técnica tiene muchas limitaciones pero se puede mejorar de varias maneras para crear más contraste.
    • El microscopio electrónico de transmisión (TEM) envía un haz de electrones a través de una delgada porción de un espécimen. El electrón se transmite entonces a papel fotográfico o a una pantalla. Dado que los haces de electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la luz tradicional, la resolución de esta imagen es mucho mayor.
    • El microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra detalles sobre la superficie de un espécimen y produce una vista tridimensional al escanear el espécimen.
    • La fuente se coloca frente a un espejo, que refleja la luz emitida desde ese objeto sobre una rejilla de difracción. Esta rejilla luego dispersa la luz emitida a un espejo de antera que extiende las diferentes longitudes de onda resultantes y las refleja en un detector que registra los hallazgos.
    • Las primeras formas de espectrómetros eran prismas simples, pero los espectrómetros modernos están automatizados por una computadora y pueden registrar un rango de frecuencias mucho más amplio.
    • Los espectrómetros se utilizan en espectroscopía. La espectroscopia estudia la interacción entre la materia y la energía radiada. Esta energía radiada es una función de la longitud de onda y la frecuencia. Cada tipo de átomo tiene su propia frecuencia.
    • La interferometría se refiere a técnicas que utilizan ondas superpuestas para extraer información sobre las ondas.
    • El interferómetro Michelson funciona dividiendo un haz de luz en dos caminos, rebotándolos y recombinándolos para crear un patrón de interferencia. Para crear franjas de interferencia en un detector, las trayectorias pueden ser de diferentes longitudes o estar compuestas de diferentes materiales.
    • La aplicación más conocida del interferómetro Michelson es el experimento Michelson-Morley, cuyo inesperado resultado nulo fue una inspiración para una relatividad especial.
    • Los LCD utilizan un campo eléctrico para colocar los cristales líquidos en el patrón deseado, y luego pasan la luz a través de estas capas para producir una imagen en la pantalla.
    • Las pantallas LCD se pueden usar para mostrar una imagen arbitraria compuesta por pequeños píxeles fijos, o se pueden usar para mostrar una imagen fija, como en un reloj digital.
    • Una pantalla nemática retorcida es la LCD más común en uso. Este tipo de pantalla está en calculadoras, relojes digitales y relojes. Cuando no se aplica campo eléctrico, las moléculas se tuercen y dejan pasar algo de luz. Cuando se aplica el campo, se desenroscan, bloqueando la luz y se ven como negros.
    • La capa iridiscente del disco está impresa con pequeños pozos y tierras. Los pozos dispersan la luz cuando se iluminan, y producen una lectura de 0; las tierras reflejan la luz hacia atrás y producen una lectura de 1.
    • La unidad de disco óptico graba las lecturas 0 y 1 y las traduce en datos binarios que se utilizan para transmitir cualquier información que se graba en el disco.
    • El patrón de arco iris en la parte posterior de un CD se debe a la difracción de la luz reflejada por fosas.

    Términos Clave

    • microscopía: usar microscopios para ver objetos que no se pueden ver a simple vista
    • contraste: Una diferencia en luminosidad, brillo y/o matiz entre dos colores que los hace más o menos distinguibles
    • incandescencia: La incandescencia es la emisión de luz (radiación electromagnética visible) de un cuerpo caliente como consecuencia de su temperatura.
    • relatividad especial: Una teoría que (descuidando los efectos de la gravedad) reconcilia el principio de relatividad con la observación de que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia.
    • superpuesto: Posicionado sobre o por encima de otra cosa, especialmente en capas
    • 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.
    • LCD: una pantalla de cristal líquido.
    • helicoidal: En forma de hélice, giro.
    • nemático: Describiendo la estructura de algunos cristales líquidos cuyas moléculas se alinean en líneas paralelas sueltas.
    • datos binarios: Datos que pueden tomar solo dos valores posibles, tradicionalmente llamados 0 y 1.
    • pit: Una huella en un disco óptico que dispersa la luz cuando se ilumina.
    • terreno: Un área plana en un disco óptico que refleja la luz cuando se ilumina.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

    26.4: Aplicaciones de la Óptica Onda is shared under a not declared license and was authored, remixed, and/or curated by LibreTexts.