4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos

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4. Polarización de la luz.
Birrefringencia.
Efectos ópticos inducidos
1
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
2
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Polarización de la luz
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Ì Como
todas las ondas transversales, la luz
puede estar polarizada o no.
Ì El estado de polarización de las ondas
luminosas se caracteriza por la orientación de
su campo óptico
.
Ì Para la luz monocromática, y escogiendo un
sistema de referencia con el eje z paralelo a la
dirección de propagación (
), es
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Polarización de la luz
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
4
Polarización de la luz
función del desfase entre las componentes
y de la relación entre sus amplitudes (reales)
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Ì En
la onda luminosa presentará:
H polarización
Lineal
H polarización Circular
H polarización Elíptica
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Polarización de la luz
Polarización circular
Polarización elíptica
cualquier
otro caso
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Polarización lineal
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Polarización de la luz
los medios isótropos, la velocidad de la luz
es la misma para todas las componentes de
una onda monocromática, de manera que
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Ì En
y el desfase es independiente de la posición z
Ì En
un medio isótropo el estado de polarización
de la luz es el mismo en todos los puntos de su
trayectoria.
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Polarización de la luz
monocromática:
H Siempre
Ì Luz
polarizada.
policromática:
H Completamente
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Ì Luz
polarizada cuando todas sus
componentes espectrales tienen el mismo
estado de polarización.
H Parcialmente polarizada: grado de polarización.
Ì Se
suele llamar «luz polarizada», sin más, a la
polarizada linealmente. En los demás casos se
especifica el tipo de polarización, p.ej.:
«luz polarizada circularmente».
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Polarizadores
dispositivo óptico que, a partir de una entrada
de luz natural (no polarizada) o con una
polarización arbitraria, proporciona a su salida
luz con un estado de polarización determinado.
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Ì Polarizador
Ì Tipos
de polarizadores
H Lineales
H Circulares
H Elípticos
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Polarizadores
de los principales mecanismos físicos
que modifican el estado de polarización de la
luz son:
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Ì Algunos
H El
dicroismo o absorción selectiva.
H La
reflexión con el ángulo de Brewster.
H La
interferencia en películas delgadas.
H La
birrefringencia.
H La
actividad óptica.
H La
difusión.
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Polarizadores lineales.
Ley de Malus
lineal
aquél en cuya salida se tiene únicamente la
componente del campo óptico entrante que es
paralela a un eje de transmisión característico
del polarizador.
Ì Ley
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Ì Polarizador
de Malus
cuando una onda luminosa polarizada
linealmente incide en un polarizador lineal de
forma que el plano de polarización de la onda
forma un ángulo θ con el eje de transmisión
del polarizador,
la onda emergente tiene ...
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Polarizadores lineales.
Ley de Malus
lineal paralela al eje de transmisión.
H Amplitud:
campo incidente
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H Polarización
campo emergente
eje de transmisión
H
y la irradiancia correspondiente es
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eje de
transmisión
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Polarizadores lineales.
Ley de Malus
Polarizador
eje de
transmisión
Analizador
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Ì Máxima
irradiancia de
salida ⇔ θ = 0
H Idealmente
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Polarizadores lineales.
Ley de Malus
I0 = irradiancia incidente.
H En la práctica
I0 < irradiancia incidente.
Ì Mínima
irradiancia de
salida ⇔ θ = 90°
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Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
dicroicos:
transparentes a la componente del campo
óptico paralela a una dirección característica
del material (el eje de transmisión) y opacos a
la componente perpendicular (la absorben o la
reflejan).
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Ì Materiales
Ì Ejemplos:
H Cristales
naturales (turmalina, herapatita).
H Medios dicroicos artificiales:
Rejillas
de filamentos conductores.
Láminas de polímeros tratados (Polaroid®).
Vidrios con cristales conductores embebidos.
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luz incidente
no polarizada
eje de transmisión
la componente
paralela es
absorbida sólo
parcialmente
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Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
la componente
perpendicular es
absorbida casi
completamente
luz emergente
polarizada linealmente
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16
Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
de rejilla conductora
H Ya
hemos visto en las prácticas de Física 2 que
una rejilla conductora sólo deja pasar las
microondas polarizadas con el campo eléctrico
perpendicular a sus filamentos.
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Ì Polarizador
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Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
de rejilla conductora
periodo
144nm
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Ì Polarizador
componente paralela a
los filamentos: reflejada
componente perpendicular
ancho de los
substrato de vidrio filamentos 65nm a los filamentos: transmitida
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Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
de rejilla conductora
Transmitancia Tp (%)
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Ì Polarizador
Longitud de onda (nm)
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Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
de lámina de plástico tratado
H Inventados
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Ì Polarizadores
en 1938 por Edwin H. Land,
fundador de Polaroid.
H Para producirlas se parte de una lámina de
plástico lineal cuyas cadenas se orientan
mediante un proceso de extrusión mecánica.
H El plástico se impregna con una solución rica
en yodo, que se incorpora a las cadenas del
polímero y proporciona electrones libres.
H El material resultante se comporta a nivel
macroscópico como una rejilla de pequeños
filamentos conductores.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
de lámina de plástico tratado:
montaje típico.
eje de transmisión
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Ì Polarizadores
lámina de polímero tratado
placas de vidrio (2)
montura metálica
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Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
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Ì Polarizadores
de lámina de plástico tratado
1,50 €
4€
12 €
465 €
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22
Polarizadores lineales.
Polarización por absorción selectiva
de vidrio con cristales metálicos.
H Se
producen a partir de vidrio fundido con sales
de metales como plata, cobre o cadmio.
H Para alargar los cristales de sal lamina el vidrio.
H Finalmente, se reduce la sal de las capas más
superficiales para formar agujas metálicas.
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Ì Polarizadores
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23
Polarizadores lineales.
Polarización por reflexión
con el ángulo de Brewster
luz incidente no
polarizada
normal
luz reflejada: débil y
totalmente polarizada
plano de incidencia
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Ì Reflexión
interfase
luz refractada: intensa y
ligeramente polarizada
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24
Polarizadores lineales.
Polarización por reflexión
de Brewster
ángulo de Brewster
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Ì Ventanas
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
25
Polarizadores lineales.
Polarización por reflexión
de pila de placas:
H Sucesión
de ventanas de Brewster
H El haz transmitido se va polarizando paralelo al
plano de incidencia al atravesar las placas.
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Ì Polarizador
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
26
Polarizadores lineales.
Polarización por reflexión
de pila de placas: refinamientos
sucesivos del diseño
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Ì Polarizador
(a)
(b)
(c)
(d)
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27
Polarizadores lineales.
Polarización por birefringencia
birrefringentes
H Son
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Ì Medios
materiales anisótropos que presentan
índices de refracción diferentes para las
componentes del campo óptico perpendicular y
no perpendicular a una dirección característica
denominada eje óptico del material.
H Cuando la luz se refracta en ellos se produce
una «doble refracción», esto es, se separa en
dos haces con polarizaciones perpendiculares:
→ polarización perpendicular
al eje óptico.
Haz ordinario
Haz extraordinario → polarización no perpendicular
al eje óptico.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
28
Polarizadores lineales.
Polarización por birefringencia
material birrefringente más utilizado para
fabricar polarizadores es la calcita en forma de
grandes cristales transparentes, variedad que
recibe el nombre de «espato de Islandia».
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H El
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29
haz incidente
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Polarizadores lineales.
Polarización por birefringencia
haz extraordinario
haz ordinario
O
E
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
30
Polarizadores lineales.
Polarización por birefringencia
polarizador de calcita prototípico es el
Prisma de Nicol, actualmente poco utilizado.
recubrimiento
absorbente
bálsamo de Canadá
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Ì El
nE = 1,4864
nbálsamo= 1,526
nO = 1,6584
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
31
Polarizadores lineales.
Polarización por birefringencia
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Ì Algunos
prismas polarizadores de calcita.
Glan Taylor
Wollaston
Glan Laser
Rochon
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
32
Polarizadores lineales.
Polarización por interferencia
polarizadores por interferencia
H Están
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Ì Los
constituidos por una o varias películas
delgadas de material dieléctrico.
H Los espesores e índices de refracción están
calculados para que las componentes π de los
haces reflejados en las dos caras de la lámina
interfieran destructivamente y sólo se refleje la
componente σ.
H Sólo funcionan de manera
óptima para una longitud
de onda y un ángulo de
incidencia determinados.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
33
Polarizadores lineales.
Polarización por interferencia
característica de un cubo polarizador
para una longitud de onda del espectro visible.
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H Ejemplo:
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
34
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
35
Polarizadores lineales.
Rangos de utilización
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Polarización por dispersión
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Ì Cuando
la luz alcanza una nube
de partículas polarizables, hace
que las cargas eléctricas de sus
átomos y moléculas «vibren» en
la dirección de su campo
eléctrico.
Ì Estos dipolos oscilantes radian
nuevas ondas luminosas
dispersadas sólo en aquellas
direcciones en que su vibración
tiene componente transversal.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
36
en esta dirección no
hay luz dispersada
luz dispersada con
menor irradiancia
luz incidente
polarizada
verticalmente
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Polarización por dispersión
luz dispersada con
máxima irradiancia
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
37
luz dispersada con
máxima irradiancia
luz incidente
polarizada
horizontalmente
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Polarización por dispersión
luz dispersada con
menor irradiancia
en esta dirección no
hay luz dispersada
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
38
luz dispersada
completamente
polarizada
luz dispersada
parcialmente
polarizada
luz incidente
no polarizada
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Polarización por dispersión
luz dispersada
no polarizada
luz dispersada
completamente
polarizada
luz dispersada
parcialmente
polarizada
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
39
Polarización por dispersión
luz dispersada en dirección perpendicular a
la de incidencia por una nube de partículas
está polarizada linealmente en un plano
perpendicular a dicha dirección de incidencia.
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Ì La
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
40
Polarización por dispersión
de la luz solar en la atmósfera
H El
aire de la atmósfera dispersa las ondas
luminosas cortas más que las largas.
H En dirección perpendicular a los rayos solares
la luz del cielo es más azul y está polarizada.
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Ì Polarización
luz solar
no polarizada
luz transmitida, rojiza
y no polarizada
6 P.M.
luz dispersada,
azulada y
polarizada
linealmente
3 P.M.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
41
luz solar no
polarizada
vidrio
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Polarización espontánea de la luz solar
luz solar no
polarizada
región polarizada
superficie
mate
región polarizada
luz solar no
polarizada
luz no polarizada
luz polarizada
Por reflexión
Por dispersión
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
42
Polarización espontánea de la luz solar
de las gafas de sol Polaroid®
las gafas transmiten
solamente la luz
polarizada verticalmente
reflejos
muy atenuados
luz natural
no polarizada
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Ì Funcionamiento
luz directa no tan
atenuada como
los reflejos
luz parcialmente polarizada paralela al
plano horizontal por reflexión con
ángulos próximos al de Brewster
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
43
Birrefringencia
comportamiento anisótropo de ciertos
materiales en los que la velocidad de
propagación de la luz depende de la
orientación del campo óptico E.
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Ì Birrefringencia:
Birrefringencia
Ì Para
cada componente linealmente polarizada:
H La permitividad eléctrica ε del material es
diferente.
H El índice de refracción n es diferente.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
44
Birrefringencia
llama ejes ópticos de un material
birrefringente a aquellas direcciones en las que
la velocidad de propagación de la luz es
independiente de su estado de polarización.
H Hay dos tipos de materiales birrefringentes:
Uniáxicos
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H Se
Biáxicos
dirección de
propagación
→ 1 eje óptico.
→ 2 ejes ópticos.
Eje Óptico
Eje Óptico
dirección de
propagación
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
45
Birrefringencia
uniáxicos
H Cualquier
onda luminosa que atraviesa un
medio birrefringente uniáxico se puede
descomponer en dos ondas con polarizaciones
perpendiculares entre sí:
Onda
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Ì Medios
Ordinaria
yPolarización
yÍndice
ySe
Onda
de refracción nO.
refracta siguiendo la ley de Snell.
Extraordinaria
yPolarización
yÍndice
yNo
perpendicular al eje óptico.
con ángulo α ≠90° respecto del eje óptico.
de refracción n(α).
sigue la ley de Snell al refractarse.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
46
Birrefringencia
uniáxicos (continúa)
H Máxima
diferencia de índices de refracción:
Onda
extraordinaria con polarización paralela al
eje óptico.
Índice de refracción de la onda extraordinaria nE.
extremos de n: nO y nE.
H Medida del grado de birrefringencia del medio
H Valores
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Ì Medios
H Medios
uniáxicos
Positivos:
nE > nO
Negativos: nE < nO
(p.ej.: el cuarzo)
(p.ej.: la calcita)
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
47
Birrefringencia
de la luz en un medio uniáxico
p.ej.: la calcita
onda incidente
nE=1,4864
nO=1,6584
o
tic
óp
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medio birrefringente
e
ej
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Ì Propagación
onda
extraordinaria
onda ordinaria
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
48
Birrefringencia.
Retardadores
H Dispositivos
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Ì Retardadores
ópticos que introducen un desfase
relativo determinado entre las componentes
según dos ejes característicos del campo
eléctrico de la luz que los atraviesa.
H Modifican el estado de polarización de la luz sin
reducir su irradiancia.
H Constitución: láminas de material birrefringente
(generalmente uniáxico) cortadas
paralelamente a su eje óptico.
H Materiales: cuarzo, mica, polímeros, etc.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
49
Birrefringencia.
Retardadores
describir el retardador con independencia
de que la birrefringencia del material sea
positiva o negativa se definen:
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H Para
Eje lento
(slow)
Eje rápido
(fast)
ns
V
nf
=nE
V
=nO
=nO
V
=nE
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
50
Birrefringencia.
Retardadores
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Ì Retardo
H
introducido por una lámina de espesor d
El desfase entre las componentes del campo
eléctrico en cada punto es, como sabemos:
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
51
Birrefringencia.
Retardadores
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Ì Retardo
introducido por una lámina de espesor d
H
En z = 0:
desfase original ⇒ estado de polarización inicial
H
En z = d:
desfase final ⇒ estado de polarización resultante
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
52
Birrefringencia.
Retardadores
desfase adicional introducido por la lámina
es
H Teniendo
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Ì El
en cuenta que
donde λ es la longitud de onda en el vacío, se
pone en evidencia que ∆θ es un retardo de la
componente lenta (s) respecto de la rápida (f).
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
53
Birrefringencia.
Retardadores
puede escribir, entonces,
con
, que es la diferencia de las
longitudes de camino óptico recorridas por las
dos componentes de la onda luminosa.
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H Se
En
la práctica, los retardadores se suelen
especificar mediante el valor de la diferencia de
camino óptico que introducen para una longitud
de onda determinada expresada en fracciones
de esa longitud de onda. Por ejemplo:
de λ/2 para 633 nm»
y«Retardador de λ/4 para 532 nm»
y«Retardador
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
54
Birrefringencia.
Retardadores
H Introduce
de media onda (λ/2)
un retardo angular de π
H Rota
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Ì Retardador
el plano de polarización o los ejes de la
elipse de polarización, sin cambiar su forma,
hasta una posición simétrica a la inicial con
respecto del eje rápido.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
55
Birrefringencia.
Retardadores
de media onda (λ/2)
s
f
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Ì Retardador
+π
↑↓
+π
↑↓
+π
↑↓
+π
↑↓
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
56
Birrefringencia.
Retardadores
de cuarto de onda (λ/4)
H Introduce
un retardo angular de π /2
H Convierte
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Ì Retardador
la polarización lineal en elíptica con
sus ejes principales paralelos a los del
retardador, y viceversa.
H Convierte la polarización lineal a 45° con
respecto del eje rápido en circular, y viceversa.
H Con otros tipos de polarización elíptica rota los
ejes y cambia la excentricidad de la elipse.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
57
Birrefringencia.
Retardadores
de cuarto de onda (λ/4)
s
+π /2
f
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Ì Retardador
+π /2
+π /2
+π /2
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
58
Efectos ópticos inducidos
materiales que son isótropos en
condiciones normales, pero cuando son
perturbados por ciertos agentes externos
(fuerzas, campos eléctricos o magnéticos, etc.)
alteran el estado de polarización de la luz.
H Se
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Ì Existen
dice entonces que estos efectos ópticos son
inducidos por el agente externo.
H Efectos ópticos inducidos con interés tecnológico
Fotoelasticidad
Efecto Faraday
Efecto Kerr
Efecto Pockels
(elastoóptico)
(magnetoóptico)
(electroóptico cuadrático)
(electroóptico lineal)
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Fotoelasticidad
inducida por tensión mecánica
en substancias transparentes, normalmente
isótropas.
H Ejemplos:
metacrilato, epoxi, gliptol, poliéster.
Ì Birrefringencia
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Ì Birrefringencia
inducida (nE – nO)
de la longitud de onda λ.
H Signo
← sentido del esfuerzo.
H Eje óptico ← dirección del esfuerzo.
H Magnitud ← módulo del esfuerzo.
H Depende
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
60
Efectos ópticos inducidos.
Fotoelasticidad
situar un material de este tipo entre dos
polarizadores cruzados y someterlo a
esfuerzos mecánicos, se observa un patrón de
franjas coloreadas (isocromas) que refleja el
estado de tensiones en el interior del material.
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Ì Al
Ì Aplicaciones:
H Ensayo
de modelos trasparentes de elementos
mecánicos y estructuras.
H Sensores de fibra óptica polarimétricos
(basados en el estado de polarización).
H Control de la polarización en fibras ópticas.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Fotoelasticidad
de aplicación al análisis de tensiones
en modelos de estructuras.
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Ì Ejemplo
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Efecto magnetoóptico de Faraday
del plano (o de los ejes de la elipse)
de polarización de la luz que atraviesa un
medio dieléctrico cuando se aplica un campo
magnético fuerte paralelo a la dirección de
propagación.
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Ì Rotación
β → ángulo girado por el plano de polarización.
V → constante de Verdet.
B → inducción del campo magnético aplicado.
d → longitud en que actúa el campo.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Efecto magnetoóptico de Faraday
moduladores ópticos de estado
de polarización y de amplitud.
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Ì Aplicaciones:
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Efecto magnetoóptico de Faraday
aisladores ópticos de efecto
Faraday.
polarizador
rotador de
efecto Faraday
polarizador
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Ì Aplicaciones:
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Efecto electroóptico de Kerr
inducida en substancias
normalmente isótropas mediante la aplicación
de un campo eléctrico transversal muy intenso.
Ì Birrefringencia inducida
H Eje
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Ì Birrefringencia
óptico ← dirección del campo.
←
H Magnitud
K → constante de Kerr.
E → intensidad del campo eléctrico aplicado.
Ì Aplicaciones:
H Modulador
de amplitud "todo o nada".
H Obturador fotográfico ultrarrápido (~10 GHz).
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Efecto electroóptico de Kerr
de Kerr
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Ì Célula
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Efecto electroóptico de Pockels
inducida en ciertos cristales
(generalmente ya birrefringentes) mediante
campos eléctricos mucho menores que los
necesarios para provocar el efecto Kerr.
Ì Campo eléctrico
H Longitudinal →
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Ì Birrefringencia
Efecto Pockels longitudinal.
H Transversal → Efecto Pockels transversal.
Ì Birrefringencia
inducida:
⇒ respuesta lineal.
Ì Aplicaciones: moduladores ópticos de
amplitud, fase o estado de polarización.
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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Efectos ópticos inducidos.
Efecto electroóptico de Pockels
célula de Pockels configurada como
modulador de amplitud.
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Ì Ejemplo:
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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ywww.newport.com
ywww.mellesgriot.com
ywww.linos.com
ywww.newfocus.com
ywww.cvilaser.com
ywww.ealingcatalog.com
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Ì Fabricantes
ywww.optosigma.com
ywww.casix.com
ywww.lambda.cc
Ì Distribuidores/fabricantes
ywww.edmundoptics.com
ywww.thorlabs.com
4. Polarización de la luz. Birrefringencia. Efectos ópticos inducidos.
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