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UNIDAD 3. ÓPTICA

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LAS CHOAPAS ITSCH

ING. SISTEMAS COMPUTACIONALES

INVESTIGACIÓN

UNIDAD 3. ÓPTICA.

NOMBRE DEL ALUMNO: ERNESTO VELASCO JIMÉNEZ

DOCENTE: ING. JOSÉ EDUARDO GERÓNIMO CASTRO

ERNESTO VELASCO JIMÉNEZ ENTREGÓ

ING. JOSÉ EDUARDO GERÓNIMO CASTRO REVISÓ

Las Choapas, Veracruz a 30 de octubre del 2019

Tabla de contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 4 3.0 ÓPTICA........................................................................................................................................... 5 3.1 ÓPTICA GEOMÉTRICA .................................................................................................................... 5 3.1.1 CONCEPTO DE LA LUZ ................................................................................................................ 5 HISTORIA ......................................................................................................................................... 5 LUZ COMO ONDA ............................................................................................................................ 6 LUZ COMO PARTÍCULA .................................................................................................................... 7 3.1.2 VELOCIDAD DE LA LUZ ................................................................................................................ 7 3.1.3 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN ......................................................................................................... 8 REFLEXIÓN ....................................................................................................................................... 8 REFRACCIÓN .................................................................................................................................... 9 3.1.4 FIBRA ÓPTICA ........................................................................................................................... 10 PARÁMETROS ESTRUCTURALES DE LAS FIBRAS ÓPTICAS. ............................................................ 10 PROPIEDADES ................................................................................................................................ 11 TIPOS DE FIBRA ÓPTICA................................................................................................................. 11 VENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA ..................................................................................................... 12 DESVENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA .............................................................................................. 12 3.1.5 ESPEJOS .................................................................................................................................... 12 ESPEJOS CONCAVOS ...................................................................................................................... 12 ESPEJOS CONVEXOS ...................................................................................................................... 13 3.1.6 LENTES ...................................................................................................................................... 13 3.1.7 EL TELESCOPIO ......................................................................................................................... 14 TELESCOPIO REFRACTOR ............................................................................................................... 14 TELESCOPIO REFRLECTOR ............................................................................................................. 15 3.2 ESTUDIOS Y APLICACIONES DE LA EMISIÓN LASER ..................................................................... 15 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA EMISIÓN LÁSER ........................................................................ 15 TIPOS DE LASER ............................................................................................................................. 16 APLICACIÓN DEL LÁSER ................................................................................................................. 16 CONCLUSION ..................................................................................................................................... 17 REFERENCIAS ..................................................................................................................................... 18

INTRODUCCIÓN la luz es esencial para casi todo en la vida pues es así como se llevan a cabo diversos procesos en la tierra como la fotosíntesis. Además, la luz es el principal medio por el cual se transmite información y así mismo recibirla de algún objeto en algún espacio de nuestro entorno. Como se ha dicho muchos fenómenos dependen de la luz, así como de sus propiedades para poder entenderse ejemplos claros podemos encontrarlos en nuestra vida diaria cuando observamos una fotografía, al ver una película, etc. en estos casos se ven millones de colores formados a partir de tres colores principales que son rojo, azul y verde. Gracias a la dispersión de la luz es como podemos observar el color azul del cielo, las imágenes en los espejos son gracias a la reflexión de la luz y las imágenes u objetos que podemos observar con mayor claridad a través de los lentes es gracias a la refracción de la luz. La luz puede comportarse de dos maneras como onda y como partícula que se estudiaran en capítulos posteriores. Por otra parte, gracias a las propiedades de la luz es como podemos desarrollar telescopios, microscopios, cámaras, lentes, impresoras, laser, etc. que nos hacen más fácil diversas actividades de nuestro entorno, cabe mencionar que tenemos tantos avances informáticos y computacionales gracias a las propiedades de la luz.

3.0 ÓPTICA La óptica se ocupa de estudiar el comportamiento de la luz y otras ondas electromagnéticas, con la que es posible alcanzar una apreciación de todo lo visible en nuestro entorno, gracias a las propiedades de la luz podemos entender diversos fenómenos visibles por el ojo humano y que tienen cierta relevancia para campos tales como informática, industria, medicina, diseños, etc.

3.1 ÓPTICA GEOMÉTRICA La óptica geométrica se encarga al estudio de la propagación de la luz, mediante una referencia de que la luz se desplaza en una dirección fija y en línea recta cuando pasa por un medio uniforme, y que además cambia su dirección en el momento en que se encuentra con la superficie de otro medio claramente diferente o si las propiedades ópticas del medio no son uniformes ya sea en espacio o tiempo. Así mismo la óptica geométrica comprende el estudio de las dos formas de la luz (como onda y como partícula), su velocidad, la refracción y reflexión, así como de los espejo y lentes que se expondrán con posterioridad.

3.1.1 CONCEPTO DE LA LUZ La luz puede ser representada de dos formas de acuerdo a sus propiedades como una onda o como partícula sin embargo la presentación de la luz dependerá al campo de estudio en la que se desea estudiar la propagación de la luz se describe mejor con la teoría de ondas mientras que para comprender la emisión y la absorción de se requiere un enfoque de luz como partículas. HISTORIA Hasta la época de Newton, la mayoría de los científicos pensaban que la luz consistía en corrientes de partículas a las que llamaban corpúsculos eran emitidas por las fuentes luminosas, con esta idea se pudo explicar en su momento los efectos de refracción y reflexión, sin embargo, en 1678 Christian Huygens demostró que los efectos antes mencionados también se podrían explicar mediante la teoría de ondas. Muchos intentaron medir la velocidad de la luz entre ellos Galileo sin tener ningún éxito. Alrededor de 1665, se comenzó a descubrir evidencias de las que la luz es en verdad ondas electromagnéticas y en 1873 James Clerk Maxwell calculo la rapidez de propagación de las ondas, este avance junto con los experimentos de Heinrich Hertz en 1887 demostró que la luz es una onda. Einstein propuso una explicación del efecto fotoeléctrico en 1905 aplicando un modelo de acuerdo con el concepto de cuantización desarrollado por Max Planck en 1900. El modelo de

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cuantización supone que la energía de una onda luminosa está presente en partículas llamadas fotones; por tanto, se dice que la energía esta cuantizada. Según la teoría de Einstein, la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética: E=hf. Donde la constante de proporcionalidad h= 6.63x10−34 J.S que es la constante de Planck. LUZ COMO ONDA A menudo se utiliza el concepto de frente de onda para describir la propagación de las ondas, de manera general un frente de onda se define como el lugar geométrico de todos los puntos adyacentes en los cuales la fase de vibración de una cantidad física asociada con la onda es la misma. Es decir, en cualquier instante, todos los puntos del frente de onda están en la misma parte de su ciclo de variación. Cuando arrojamos una piedra en un estanque tranquilo, los círculos de expansión formados por las crestas de onda, al igual que los círculos formados por los valles de onda intermedios, son los frentes de onda. En los diagramas del movimiento ondulatorio, por lo general, solo se dibujan partes de unos de unos cuantos frentes de onda y a menudo se eligen frentes de onda consecutivos que tengan la misma fase y que, por lo tanto, estén separados por una longitud de onda, como las crestas de las olas del agua. Para describir las direcciones en las que se propaga la luz, a menudo conviene representar una onda luminosa por medio de rayos y no por frentes de onda. Los rayos se utilizaron para describir la luz mucho tiempo antes de que su naturaleza ondulatoria estuviera firmemente establecida. En la teoría ondulatoria un rayo es una línea imaginaria a lo largo de la dirección de propagación de la onda. Cuando las ondas viajan en un material isotrópico homogéneo (un material que tiene las mismas propiedades en todas las regiones y en todas las direcciones), los rayos siempre son líneas rectas normales a los frentes de onda. En una superficie de frontera entre dos materiales, como la superficie de una placa de vidrio en el aire, la rapidez de la onda y la dirección de un rayo pueden cambiar, pero los segmentos de rayo en el aire y en el vidrio son líneas rectas. La Frecuencia se mide en Hertz: 𝑓 =

𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 segundos

La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales; es decir, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta será la frecuencia, y viceversa. Esta relación está dada por la ecuación siguiente: c=λν donde λ (la letra griega "lambda") es la longitud de onda (en metros) y ν (la letra griega "nu") es la frecuencia (en Hertz, Hz). Su producto es igual a la constante C.

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Esta relación refleja un hecho importante: toda la radiación electromagnética, sin importar su longitud de onda o frecuencia, viaja a la velocidad de la luz.

LUZ COMO PARTÍCULA En la teoría corpuscular de la luz, los rayos son trayectorias de las partículas el principal sustentador de esta teoría fue Isaac Newton. De acuerdo con esta teoría, las partículas muy pequeñas de masa insignificante, son emitidas por fuentes luminosas tales como el sol o una llama. Las partículas viajan hacia fuera de las líneas rectas con enorme rapidez. Cuando las partículas entran al ojo, estimula el sentido de la vista. La propagación rectilínea se explica fácilmente mediante esta teoría, uno de los más fuertes argumentos de la luz como partícula se basa en la propiedad antes mencionada. Hasta cierto tiempo se pensaba que las partículas producían sombras con contornos bien definidos y fue esta característica lo que hizo pesar a Newton que la luz estaba compuesta de partículas. Por su parte Einstein postulo lo siguiente: “un rayo de luz consiste en pequeños paquetes de energía llamados fotones o cuantos. La energía E de un fotón es igual a una constante h por su frecuencia f. De acuerdo con f =c/ƛ para las ondas electromagnéticas en el vacío, se obtiene

3.1.2 VELOCIDAD DE LA LUZ Galileo intento medir la velocidad de la luz colocando dos observadores en torres separadas aproximadamente a 10 km. Cada observador llevaba una linterna de persianas. Un observador la abriría primero y luego lo haría el otro al momento de ver la luz. Galileo explico que, si conocía el tiempo de transito de los rayos de luz de una linterna a la otra y la distancia entre las dos linternas, podría obtener la rapidez. Sus resultados no fueron concluyentes porque es imposible medir la rapidez de la luz de tal manera ya que el tiempo de transito es mucho menor que el tiempo de reacción de los observadores. En 1675, el astrónomo Danés Ole Roemer (1644-1710) hizo la primera estimación exitosa de la velocidad de la luz. En la técnica intervinieron observaciones astronómicas de una luna de Júpiter, lo que tiene un periodo de revolución alrededor del planeta de aproximadamente 42.5 h. el periodo de revolución de Júpiter alrededor del sol es de aproximadamente 12 años; por lo tanto, cuando la tierra se mueve 90° alrededor del sol, Júpiter gira solamente 7.5°. Un observador que utilice el movimiento orbital Io como un reloj esperaría que la orbita tuviera un periodo constante. No obstante, Roemer, después de reunir datos durante mas de un año, observo una variación sistemática en el periodo de Io. Encontró que los periodos eran mas largos que el promedio cuando la Tierra se alejaba de Júpiter y mas cortos que el promedio cuando se aproxima. Roemer atribuyo esta variación al hecho de que la distancia entre la tierra y Júpiter cambiaba de una observación a otra, más 7

tarde este método fue perfeccionado en 1849 por el físico francés Armand H. L. Fizeau mediante un procedimiento en el que se mide el intervalo total durante el cual la luz viaja desde cierto punto hacia un espejo distante y de regreso, para medir el tiempo de tránsito, Fizeau utilizo una rueda dentada giratoria, que convierte un haz continuo de luz en una serie de pulsos luminosos. La rotación de esta rueda controla lo que ve un observador en la fuente de luz. Al final de sus investigaciones Fizeau concluyo que la luz viaja a 3.1𝑥108 𝑚/𝑠. Después de mucho tiempo se concluyó que la velocidad de la luz se obtiene al tomar en consideración las dos teorías, por lo que es una constante que describe a la luz cuando viaja a través del vacío, es decir donde no hay ningún elemento que 𝑚 interfiera en el trayecto de la luz y su valor es de 3𝑥108 𝑠 . Einstein postulo lo siguiente: “un rayo de luz consiste en pequeños paquetes de energía llamados fotones o cuantos. La energía E de un fotón es igual a una constante h por su frecuencia f. De acuerdo con f =c/ƛ para las ondas electromagnéticas en el vacío, ℎ𝑐 se obtiene: 𝐸 = ℎ𝑓 = ƛ . Donde h es una constante universal llamada constante de Planck que es igual a: ℎ = 6.626𝑥10−34 J/s

3.1.3 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN REFLEXIÓN La reflexión de la luz es un fenómeno óptico de enorme importancia, si la luz no se reflejara en los objetos que nos rodean hacia nuestros ojos, simplemente no lo veríamos, la reflexión implica la absorción y la reemisión de la luz por medio de vibraciones electromagnéticas complejas en los átomos del medio reflectante. La reflexión se estudia de mejor manera mediante Rayos, las direcciones de los rayos incidentes, reflejado y refractado en una interfaz lisa entre dos materiales ópticos en términos de los ángulos que forman con la normal de manera perpendicular (eje de las Y) a la superficie en el punto de incidencia, si la interfaz es rugosa, tanto la luz transmitida como la reflejada se dispersan en varias direcciones y no hay un ángulo único de transmisión o reflexión. La reflexión con un ángulo definido desde una superficie muy lisa se llama reflexión especular, mientras que la reflexión dispersa a partir de una superficie áspera se llama reflexión difusa. Ambas clases de reflexión ocurren con materiales transparentes opacos que no transmiten la luz. La gran mayoría de objetos en el ambiente (ropa, plantas, personas, etc.) son visibles porque reflejan la luz en una forma difusa desde sus superficies. Leyes de reflexión la reflexión de la luz obedece a la misma ley general de la mecánica que rige otros fenómenos de rebote:  El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión 𝜃𝒾 = 𝜃𝑟.  El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano. Los rayos de incidencia y reflejado están en lados opuestos de la normal. 8

REFRACCIÓN La refracción es el cambio de dirección de una onda en la interfase donde pasa de un medio transparente a otro. En general, cuando una onda incide en la frontera interfase entre otros dos medios, parte de la energía de la onda se refleja y otra parte se transmite. La dirección de la luz transmitida es distinta de la de la luz incidente se dice que la luz se ha refractado; en otras palabras, ha cambiado de dirección, este cambio de dirección se debe al hecho de que la luz viaja con distinta rapidez en medios diferentes. El cambio en la dirección de la propagación de la onda se describe con el ángulo de refracción. Para la denotación se usa, 𝜃1 y 𝜃2 para los ángulos de incidencia y de refracción. El físico holandés Willebrord Snell (15801626) descubrió una relación entre los ángulos (𝜃) y la rapidez (v) de la luz en los 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝑣1 medios: 𝑠𝑒𝑛 𝜃 1 = 𝑣2. 2

El índice de refracción de un material óptico, denotado por n. la refracción es la 𝑐 razón de la luz C en el vacío y la rapidez de la luz V en un material: 𝑛 = v . La luz siempre viaja con mas lentitud en un material que en el vacío por lo tanto el valor de n en cualquier material que no sea el vacío será mayor que la unidad. La rapidez de las ondas v es inversamente proporcional al índice de refracción n. cuanto mayor sea el índice de refracción de un material, menor será la rapidez de onda en ese material.

LEYES DE REFRACCIÓN  El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano.  La trayectoria de un rayo refractado en la interfase entre dos medios es exactamente reversible.

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3.1.4 FIBRA ÓPTICA La fibra óptica es un medio físico de transmisión de información, usual en redes de datos y telecomunicaciones, que consiste en un filamento delgado de vidrio o de plástico, a través del cual viajan pulsos de luz laser o led, en el cual se contienen los daros a transmitir. A través de la transmisión de estos impulsos de luz se puede enviar y recibir información a importantes velocidades a través de un tendido de cable, a salvo de interferencias electromagnéticas y con velocidades similares a las de la radio. Esto hace de la fibra óptica el medio de transmisión por cable más avanzado que existe. El principio de funcionamiento de la fibra óptica es el de la ley de Snell, que permite calcular el ángulo de refracción de la luz al pasar de un medio a otro con distinto índice de refracción, así, dentro de la fibra, los haces de luz quedan atrapados y propagándose en el núcleo, dadas las propiedades físicas del revestimiento y del ángulo de reflexión adecuado, transportando hasta el destino la información enviada. En esto último opera de manera similar al telégrafo. La ley que rige la distribución de los índices de refracción para el núcleo de la fibra óptica, en función de los parámetros geométricos está dada por la siguiente 𝑔 2 expresión: 𝑁(𝑅) = 𝑁12 [1 − 2∆(𝑅𝐴) ] Donde: 2 𝑁(𝑅) es el índice de refracción al cuadrado, en función de la distancia centro del núcleo del núcleo-periferia del núcleo. 𝑁12 es el valor máximo del índice de refracción del núcleo al cuadrado, correspondiente al valor en el centro del núcleo. g es el exponente del perfil. R es la distancia medida en el sentido núcleo periferia del núcleo, expresado en micras. A es el radio del núcleo de la fibra óptica expresado en micras. PARÁMETROS ESTRUCTURALES DE LAS FIBRAS ÓPTICAS. Estos parámetros son los encargados de determinar el comportamiento de la fibra óptica, a partir de los parámetros geométricos adoptados. Esto nos permite determinar el numero total de modos o haces lumínicos que pueden propagarse simultáneamente por el núcleo de la fibra óptica, así como el rango de longitudes de onda de los mismos. APERTURA NUMÉRICA Cuando un rayo de luz incide en la fibra óptica, la onda lumínica sufre un cambio en su medio de propagación, esto sucede gracias a la refracción, a su vez el rayo incidente para poder ser propagado en la fibra tiene que incidir con un ángulo menor al ángulo critico de reflexión. Al parámetro que, conjugado con estos fenómenos físicos, refracción y reflexión, delimita el paso de los pulsos lumínicos capaces de ser propagados por el núcleo de una fibra óptica es conocido como apertura numérica. La apertura numérica se define como el valor numérico del seno del máximo ángulo que posibilita el acoplamiento de la onda lumínica desde el exterior de la fibra óptica

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hasta su interior. A.N. = sin ∝𝐼𝑚𝑎𝑥 . La relación existente entre la diferencia de índices de refracción y la apertura numérica está dada por: A.N = √2∆𝑛12. PARAMETRO ESTRUCTURAL V este es un parámetro utilizado como paso intermedio para el calculo del numero de modos que es posible propagar por el núcleo de una fibra óptica. En el caso de las fibras ópticas monomodo, en las que solo se propaga el modo fundamental, es utilizado para determinar el valor de la longitud de onda limite y para la obtención 𝐴 del diámetro del campo modal, esto se calcula por: 𝑣 = 2𝜋 𝜆 𝐴. 𝑁. donde a es el radio del núcleo de la fibra óptica, expresado en micras y 𝜆 es la longitud de onda del pulso lumínico propagado. NÚMERO DE MODOS PROPAGADOS (M) Este parámetro indica el numero total de modos que pueden ser propagados por el núcleo de la fibra óptica. Existen diversas formas para realizar una aproximación de este cálculo, aquí se presenta una de las expresiones: M ≈ Donde: g es el exponente de perfil. V es el parámetro estructural.

𝑉2 2

𝑔 (𝑔+2 ).

PROPIEDADES  Es liviana y flexible debido a su pequeño diámetro  Los problemas de interferencia entre guías de onda óptica adyacentes, así como la intercepción han sido virtualmente eliminados en las guías.  La interferencia electromagnética no tiene efecto en la señal óptica o la información transmitida.  Las estaciones transmisoras y receptoras se conectan solamente por medio de una guía de onda óptica que es eléctricamente aislante, y por lo tanto pueden ser operadas a diferentes potenciales eléctricos. Esto hace posible, por ejemplo, un sistema de monitoreo novedoso y simple para instalaciones de alta tensión.  Las características de transmisión de las guías de onda óptica solo varían levemente con la temperatura. Por lo tanto, no se requiere compensación de temperatura, tal como la empleada en los conductores de cobre. TIPOS DE FIBRA ÓPTICA  Fibra monomodo: tiene un solo modo de propagación de los rayos en el interior del núcleo que es paralelo al eje de la fibra.  Fibra multimodo: la luz se propaga por múltiples modos, que siguen diferentes caminos.  Fibra con salto de índice (STEP INDEX): el índice de refracción del núcleo se mantiene constante, al variar la distante desde el centro de la fibra hacia el exterior.

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

Fibra con variación de índice (GRADED INDEX): el índice de refracción varia, al aumentar la distancia desde el centro de la fibra hacia el exterior.

VENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA  Ocupa poco espacio.  Es liviana.  Presenta una gran resistencia.  Es más ecológica.  Inmune a interferencias electromagnéticas.  Veloz, eficaz y segura. DESVENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA  Son frágiles.  Requiere de conversores.  Son difíciles los empalmes.  No transmite energía eléctrica.  Envejece con la presencia de agua.  No existen memorias ópticas.

3.1.5 ESPEJOS ESPEJOS CONCAVOS Los espejos cóncavos se denominan también como espejos convergentes debido a que los rayos paralelos que inciden sobre el espejo convergen hacia un punto focal, una distancia focal f como la distancia del espejo hasta el punto focal, lo que quiere decir que un espejo con un radio de curvatura R tendrá f= R/2. De manera general, todos los rayos paralelos deberían encontrarse en el foco, pero para los espejos esféricos existe una cierta desviación que se agrava para los rayos mas alejados del eje principal del espejo, este defecto de enfoque se denomina aberración esférica, esto puede reducirse haciendo que el espejo sea solo una pequeña sección de la esfera. Los espejos de forma parabólica eliminan la aberración esférica. Utilizando diagramas de rayos para los espejos cóncavos, vamos a deducir algunas relaciones entre la distancia focal f, las distancias del objeto y de la imagen d0 y di, y las alturas h0 y hi.

−ℎ1 ℎ0

=

𝑑𝑖 𝑑0

aquí, se toma a hi como negativo, lo que denota una

imagen invertida; -hi, será entonces la longitud (positiva) del lado vertical del triángulo

−ℎ1 ℎ0

=

𝑓 𝑑0−𝑓

ecuación del espejo:

igualando las dos expresiones para -hi/h0 y tomando la 1

= 𝑓

1

1

+ 𝑑𝑖 . 𝑑0

La magnificación M del espejo es el cociente entre la altura de la imagen hi y la altura del objeto h0: 𝑀 =

12

ℎ𝑖 ℎ0

=

𝑑𝑖 𝑑𝑜

.

    

La distancia focal f es siempre positiva para los espejos cóncavos y negativa para los espejos convexos. La distancia del objeto d0 es siempre positiva. El tamaño del objeto h0 se toma siempre como positivo. El tamaño de la imagen hi es positivo cuando la imagen es recta y negativo cuando esta invertida. La magnificación M es positiva cuando la imagen es recta y negativa cuando esta invertida.

ESPEJOS CONVEXOS Los espejos convexos son espejos divergentes pues los rayos paralelos que se reflejan en el espejo divergen después de la reflexión. Esto hace que sea imposible obtener imágenes reales. Los espejos convexos siempre forman imágenes virtuales en el otro lado del espejo. La diferencia es que el punto focal del espejo convexo se encuentra en el lado opuesto del espejo, por tanto, los rayos no llegan a pasar físicamente a través del punto focal, aunque se reflejan como si provinieran de dicho punto. Las ecuaciones del espejo convexo son las mismas que para los espejos cóncavos únicamente con la restricción (para los convexos), de signo añadido de que la distancia focal f es negativa, lo que denota un punto focal situado en el lado opuesto del espejo. Aplicando dichas ecuaciones, podemos deducir que di siempre es negativa y que su valor absoluto es menor que d0. Esto a su vez, implica una magnificación positiva. Por lo tanto, lo que se obtiene es una imagen virtual recta y de menor tamaño en el lado opuesto del espejo. Un espejo convexo nunca puede formar una imagen real. La forma de los espejos convexos es lo que hace que se disponga de un mayor campo de visión, y es utilizado como espejo retrovisor lateral en los vehículos.

3.1.6 LENTES La forma más sencilla de explicar como funciona una lente consiste en considerar la refracción de la luz mediante prismas. Cuando la ley de Snell se aplica a cada superficie de un prisma, la luz se desvía hacia la normal cuando entra en un prisma y se aleja de ello cuando sale de él. El efecto, en cualquier caso, es ocasionar que el haz de luz se desvíe hacia la base del prisma. Los rayos de luz permanecen paralelos porque tanto la superficie de entrada como la de salida son planas y forman ángulos iguales con todos los rayos que pasan por el prisma. Por tanto, un prisma simplemente altera la dirección de un frente de onda. Supongamos que colocamos dos prismas base con base, la luz incidente que viene de la izquierda va a converger, pero no se reunirá en un foco. Para enfocar los rayos en un punto, los rayos extremos deben ser desviados mas que los rayos centrales, lo cual se consigue tallando las superficies de modo que tengan una sección transversal uniformemente curva. Una lente que conduce un haz de luz paralelo a un foco puntual en la forma mencionada se llama lente convergente, mientras que una lente divergente es la que refracta y hace divergir luz paralela a partir de un punto situado

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frente a la lente. Una lente se considera “delgada” si su espesor es pequeño comparado con sus otras dimensiones. La longitud focal f de una lente depende del índice de refracción n del material con el que este fabricada. También esta determinado por los radios de curvatura R1 y R2 de sus superficies y determinan mediante:

1 𝑓

1

1 = (𝑛 − 1) (𝑅1 + 𝑅2) esta ecuación

también se le conoce como la ecuación del fabricante de lentes y se aplica tanto para lentes convergentes y divergentes siempre que se siga esta convención de signos. Las características, el tamaño y la ubicación de las imágenes pueden también 1 1 1 determinarse analíticamente a partir de la ecuación de los lentes: + = . 𝑝

𝑞

𝑓

Donde: p= distancia al objeto. q= distancia de la imagen. f= distancia focal de la lente. Las siguientes son formas alternativas de la ecuación de las lentes: 𝑓𝑞

𝑝 = 𝑞−𝑓

𝑓𝑝

𝑞𝑝

𝑞 = 𝑝−𝑓

𝑓 = 𝑝+𝑞

La amplificación M se define como la razón del tamaño de la imagen y´ respecto al tamaño del objeto y, por lo que: 𝑀 =

𝑦´ 𝑦

=

−𝑞 𝑝

. Donde q es la distancia a la imagen

y p la distancia al objeto. Una amplificación positiva indica que la imagen no esta invertida, mientras que una amplificación negativa ocurre solo cuando la imagen esta invertida. Cuando la luz pasa por dos o mas lentes, puede determinarse la acción combinada si se considera la imagen que se formara por la primera lente con el objeto de la segunda. La amplificación total de producida por un sistema de lentes es el producto de la amplificación causado por cada lente del sistema.

3.1.7 EL TELESCOPIO En los telescopios se aplican los principios ópticos de los espejos y las lentes para mejorar la capacidad de ver los objetos lejanos. Los telescopios se utilizan para hacer observaciones astronómicas y terrestres, para ver algunos cuerpos a destalle o simplemente saber que cuerpo u objeto está más lejano. TELESCOPIO REFRACTOR Los componentes principales de este telescopio son las lentes objetivo y ocular. El objetivo es una lente convergente grande, con gran distancia focal, y el ocular móvil tiene una distancia focal relativamente corta. Los rayos procedentes de un objeto lejano son paralelos en esencia, forman una imagen (Io) en el foco (Fo) del objetivo. La distancia entre dos lentes es la suma de las distancias focales (fo+fe). El poder 14

de aumento de un telescopio refractor enfocado para que la imagen final este en el 𝑓𝑜

infinito es: 𝑚 = 𝑓𝑒 , en esta ecuación se intercala el signo menos para indicar que la imagen es invertida. Para alcanzar el aumento máximo, la distancia focal del objetivo debe ser la mayor posible, y la distancia focal del ocular la menor posible. TELESCOPIO REFRLECTOR Los telescopios de este tipo usan espejos parabólicos grandes y cóncavos. La característica de es este tipo de telescopios es la cantidad de luz que es capaz de captar, la cual depende del área de su elemento de captación de la luz. Estos tipos de telescopios son más fáciles de fabricar y debido a esta capacidad los astrónomos utilizan estos en su mayoría en donde la captación de luz son espejos. Los telescopios de reflexión mas grandes del mundo se encuentran en el observatorio Keck en Mauna kea, Hawaii. Las ecuaciones para los telescopios reflectores son las mismas que para los telescopios de refracción.

3.2 ESTUDIOS Y APLICACIONES DE LA EMISIÓN LASER La primera versión de un láser la construyó Theodore Maiman el 16 de mayo de 1960 en los laboratorios Hughes originalmente Maiman la llamo el Máser Óptico. Después se adoptó el nombre de LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Características del láser de Maiman:  

El medio activo era una barra de rubí sintética y el bombeo se hizo con una lampara de flash fotográfico. La emisión de luz ocurrió por pulsos cortos de luz.

Poco tiempo después, Ali-Javan, William R. Bennet y Donald Herriot construyeron el láser de helio-neón de operación continua. El laser de helio neón usa una mezcla de gases como los anuncios luminosos. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA EMISIÓN LÁSER MONOCROMATICIDAD Permite aprovechar las características físicas y biológicas que posee la radiación de una longitud de onda determinada. COHERENCIA La radiación coherente es aquella en la que todos los fotones están en fase. Al coincidir en una misma dirección de propagación, los estados y vibraciones se suman. DIRECCIONALIDAD La disposición de una cavidad resonante, uno de los más importantes requisitos técnicos en la construcción de los sistemas laser, proporciona otra de las características de esta radiación, su escasa divergencia. Dado que solo se amplifican los fotones emitidos en el sentido de un eje del material emisor, la 15

radiación resultante posee una marcada direccionalidad de emisión, lo cual la hace idónea para diversas aplicaciones prácticas, en las que se requiere precisión en la iluminación.

TIPOS DE LASER  LÁSERES PULSADOS: Rubí, semiconductor, Ytrio, Aluminio-granate; YAG; NdYAG.  CONTINUOS: Helio-Neon, Argon, CO2, Colorantes, Láseres de iones metálicos: HeAg, NeCu, TEA. En la actualidad, hay gran variedad de láseres, los mas pequeños los encontramos en los lectores de discos compactos y apuntadores de presentaciones. Estos láseres tienen una potencia de 1 mW (un miliwat), por otra parte, se han construido grandes instalaciones de laser que ocupan edificios completos. El objetivo de estos es encontrar la fusión mediante la implosión laser con una potencia de 2Gw (2 000 000 000 W). APLICACIÓN DEL LÁSER  En la medicina para la corrección de la retina desprendida.  Para remover defectos de la visión de manera permanente.  Para diagnosticar errores de refracción en los ojos.  En ingeniería, alineación de terrenos y para dirigir máquinas excavadoras.  Telemetría laser.  Se utiliza en los discos compactos, DVD, Blu ray.  Telecomunicaciones.

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CONCLUSION A través de la luz podemos observar todo lo que no rodea, es a través de ella y sus propiedades podemos explicar diversos fenómenos que suceden día a día, con el estudio de las propiedades de la luz podemos dar una explicación a estos. Ahora podemos entender por qué se reflejan los rayos del sol en un vaso de agua y también por qué al pasar a través de ella se dispersan diversos colores. La reflexión se da cuando un rayo de luz choca con un material y se desvía hacia una dirección contraria a la que ingreso, pero con el mismo ángulo respecto a la normal, mientras que la refracción se da cuando un rayo de luz choca con un material, pero esta se desvía demasiada respecto al rayo de incidencia y la normal, además de que estos fenómenos se dan en el plano. Otro de los conceptos a la que hay que tener consideración es la fibra óptica pues es muy relevante en el campo computacional, principalmente en las telecomunicaciones y es que es la mejor opción en cuanto a transferencia de información se refiere.

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REFERENCIAS

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CON

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