Láser

Láser, dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son aparatos que
amplifican la luz y producen haces de luz coherente; su frecuencia va desde el infrarrojo hasta los rayos X. Un
haz de luz es coherente cuando sus ondas, o fotones, se propagan de forma acompasada, o en fase. Esto hace
que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy direccional, y con una gran pureza de color
(frecuencia). Los máseres son dispositivos similares para microondas.
Principios de funcionamiento
Los láseres obligan a los átomos a almacenar luz y emitirla en forma coherente. Primero, los electrones de los
átomos del láser son bombeados hasta un estado excitado por una fuente de energía. Después, se los `estimula'
mediante fotones externos para que emitan la energía almacenada en forma de fotones, mediante un proceso
conocido como emisión estimulada. Los fotones emitidos tienen una frecuencia que depende de los átomos en
cuestión y se desplazan en fase con los fotones que los estimulan. Los fotones emitidos chocan a su vez con
otros átomos excitados y liberan nuevos fotones. La luz se amplifica a medida que los fotones se desplazan
hacia atrás y hacia adelante entre dos espejos paralelos desencadenando nuevas emisiones estimuladas. Al
mismo tiempo, la luz láser, intensa, direccional y monocromática, se `filtra' por uno de los espejos, que es sólo
parcialmente reflectante.
La emisión estimulada, el proceso en que se basa el láser, fue descrita por primera vez por Albert Einstein en
1917. En 1958, los físicos estadounidenses Arthur Schawlow y Charles Hard Townes describieron a grandes
rasgos los principios de funcionamiento del láser en su solicitud de patente. Obtuvieron la patente, pero
posteriormente fue impugnada por el físico e ingeniero estadounidense Gordon Gould. En 1960, el físico
estadounidense Theodore Maiman observó el primer proceso láser en un cristal de rubí. Un año más tarde, el
físico estadounidense nacido en Irán Ali Javan construyó un láser de helio−neón. En 1966, el físico
estadounidense Peter Sorokin construyó un láser de líquido. En 1977, el Tribunal de Patentes de Estados
Unidos confirmó una de las reivindicaciones de Gould en relación con los principios de funcionamiento del
láser.
Tipos de láser
Según el medio que emplean, los láseres suelen denominarse de estado sólido, de gas, de semiconductores o
líquidos.
Láseres de estado sólido
Los medios más comunes en los láseres de estado sólido son varillas de cristal de rubí o vidrios y cristales con
impurezas de neodimio. Los extremos de la varilla se tallan de forma que sus superficies sean paralelas y se
recubren con una capa reflectante no metálica. Los láseres de estado sólido proporcionan las emisiones de
mayor energía. Normalmente funcionan por pulsos, generando un destello de luz durante un tiempo breve. Se
han logrado pulsos de sólo 1,2 × 10−14 segundos, útiles para estudiar fenómenos físicos de duración muy
corta. El bombeo se realiza mediante luz de tubos de destello de xenón, lámparas de arco o lámparas de vapor
metálico. La gama de frecuencias se ha ampliado desde el infrarrojo (IR) hasta el ultravioleta (UV) al
multiplicar la frecuencia original del láser con cristales de dihidrogenofosfato de potasio, y se han obtenido
longitudes de onda aún más cortas, correspondientes a rayos X, enfocando el haz de un láser sobre blancos de
itrio.
Láseres de gas
El medio de un láser de gas puede ser un gas puro, una mezcla de gases o incluso un vapor metálico, y suele
estar contenido en un tubo cilíndrico de vidrio o cuarzo. En el exterior de los extremos del tubo se sitúan dos
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espejos para formar la cavidad del láser. Los láseres de gas son bombeados por luz ultravioleta, haces de
electrones, corrientes eléctricas o reacciones químicas. El láser de helio−neón resalta por su elevada
estabilidad de frecuencia, pureza de color y mínima dispersión del haz. Los láseres de dióxido de carbono son
muy eficientes, y son los láseres de onda continua (CW, siglas en inglés) más potentes.
Láseres de semiconductores
Los láseres de semiconductores son los más compactos, y suelen estar formados por una unión entre capas de
semiconductores con diferentes propiedades de conducción eléctrica. La cavidad del láser se mantiene
confinada en la zona de la unión mediante dos límites reflectantes. El arseniuro de galio es el semiconductor
más usado. Los láseres de semiconductores se bombean mediante la aplicación directa de corriente eléctrica a
la unión, y pueden funcionar en modo CW con una eficiencia superior al 50%. Se ha diseñado un método que
permite un uso de la energía aún más eficiente. Implica el montaje vertical de láseres minúsculos, con una
densidad superior al millón por centímetro cuadrado. Entre los usos más comunes de los láseres de
semiconductores están los reproductores de discos compactos.
Láseres líquidos
Los medios más comunes en los láseres líquidos son tintes inorgánicos contenidos en recipientes de vidrio. Se
bombean con lámparas de destello intensas cuando operan por pulsos o por un láser de gas cuando funcionan
en modo CW. La frecuencia de un láser de colorante sintonizable puede modificarse mediante un prisma
situado en la cavidad del láser.
Láseres de electrones libres
En 1977 se desarrollaron por primera vez láseres que emplean para producir radiación haces de electrones, no
ligados a átomos, que circulan a lo largo de las líneas de un campo magnético; actualmente están adquiriendo
importancia como instrumentos de investigación. Su frecuencia es regulable, como ocurre con los láseres de
colorante, y en teoría un pequeño número podría cubrir todo el espectro, desde el infrarrojo hasta los rayos X.
Con los láseres de electrones libres debería generarse radiación de muy alta potencia que actualmente resulta
demasiado costosa de producir.
Aplicaciones del láser
Los posibles usos del láser son casi ilimitados. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa en la
industria, la investigación científica, la tecnología militar o el arte.
Industria
Es posible enfocar sobre un punto pequeño un haz de láser potente, con lo que se logra una enorme densidad
de energía. Los haces enfocados pueden calentar, fundir o vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo,
los láseres se usan para taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes
microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda, sintetizar nuevos materiales o
intentar inducir la fusión nuclear controlada. El potente y breve pulso producido por un láser también hace
posibles fotografías de alta velocidad con un tiempo de exposición de algunas billonésimas de segundo. En la
construcción de carreteras y edificios se utilizan láseres para alinear las estructuras.
Investigación científica
Los láseres se emplean para detectar los movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas
geodésicas. También son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica. Los
láseres se han empleado igualmente para determinar con precisión la distancia entre la Tierra y la Luna y en
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experimentos de relatividad. Actualmente se desarrollan conmutadores muy rápidos activados por láser para
su uso en aceleradores de partículas, y se han diseñado técnicas que emplean haces de láser para atrapar un
número reducido de átomos en un vacío con el fin de estudiar sus espectros con una precisión muy elevada.
Como la luz del láser es muy direccional y monocromática, resulta fácil detectar cantidades muy pequeñas de
luz dispersa o modificaciones en la frecuencia provocadas por materia. Midiendo estos cambios, los
científicos han conseguido estudiar las estructuras moleculares. Los láseres han hecho que se pueda
determinar la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes; también permiten inducir reacciones
químicas de forma selectiva y detectar la existencia de trazas de sustancias en una muestra.
Comunicaciones
La luz de un láser puede viajar largas distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la
intensidad de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar, por ejemplo, 1.000 veces
más canales de televisión de lo que transportan las microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las
comunicaciones espaciales. Se han desarrollado fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz láser para la
comunicación terrestre, en sistemas telefónicos y redes de computadoras. También se han empleado técnicas
láser para registrar información con una densidad muy alta. Por ejemplo, la luz láser simplifica el registro de
un holograma, a partir del cual puede reconstruirse una imagen tridimensional mediante un rayo láser.
Medicina
Con haces intensos y estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de
segundo sin dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado para `soldar' la retina, perforar el cráneo,
reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se han desarrollado técnicas láser para realizar
pruebas de laboratorio en muestras biológicas pequeñas.
Tecnología militar
Los sistemas de guiado por láser para misiles, aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los
láseres de colorante sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede llevar a métodos
más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de armas nucleares.
Medidas de seguridad
El principal peligro al trabajar con láseres es el daño ocular, ya que el ojo concentra la luz láser igual que
cualquier otro tipo de luz. Por eso, el haz del láser no debe incidir sobre los ojos directamente ni por reflexión.
Un láser debe ser manejado por personal experto equipado con gafas o anteojos de seguridad.
Láser atómico
En enero de 1997, un equipo de físicos estadounidenses anunció la creación del primer láser compuesto de
materia en vez de luz. Del mismo modo que en un láser de luz cada fotón viaja en la misma dirección y con la
misma longitud de onda que cualquier otro fotón, en un láser atómico cada átomo se comporta de la misma
manera que cualquier otro átomo, formando una onda de materia coherente.
Los científicos confían en las numerosas e importantes aplicaciones potenciales de los láseres atómicos,
aunque presenten algunas desventajas prácticas frente a los láseres de luz debido a que los átomos están
sujetos a fuerzas gravitatorias e interaccionan unos con otros de forma distinta a como lo hacen los fotones.
Espectro, serie de colores semejante a un arco iris por este orden: violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y
rojo que se produce al dividir una luz compuesta como la luz blanca en sus colores constituyentes. El arco iris
es un espectro natural producido por fenómenos meteorológicos. Puede lograrse un efecto similar haciendo
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pasar luz solar a través de un prisma de vidrio. La primera explicación correcta de este fenómeno la dio en
1666 el matemático y físico británico Isaac Newton.
Cuando un rayo de luz pasa de un medio transparente como el aire a otro medio transparente, por ejemplo
vidrio o agua, el rayo se desvía; al volver a salir al aire vuelve a desviarse. Esta desviación se denomina
refracción; la magnitud de la refracción depende de la longitud de onda de la luz. La luz violeta, por ejemplo,
se desvía más que la luz roja al pasar del aire al vidrio o del vidrio al aire. Así, una mezcla de luces roja y
violeta se dispersa al pasar por un prisma en forma de cuña y se divide en dos colores.
Los aparatos para observar visualmente un espectro se denominan espectroscopios; los que sirven para
observar y registrar un espectro fotográficamente se llaman espectrógrafos; los empleados para medir la
intensidad de las diferentes partes del espectro se denominan espectrofotómetros. La ciencia que utiliza los
espectroscopios, espectrógrafos y espectrofotómetros para estudiar los espectros se conoce como
espectroscopia. Para medidas espectroscópicas extremadamente precisas se emplean interferómetros. En el
siglo XIX, los científicos descubrieron que más allá del extremo violeta del espectro podía detectarse una
radiación invisible para el ojo humano pero con una marcada acción fotoquímica; se la denominó radiación
ultravioleta. Igualmente, más allá del extremo rojo del espectro se detectó radiación infrarroja que aunque era
invisible transmitía energía, como demostraba su capacidad para hacer subir un termómetro. Como
consecuencia, se redefinió el término espectro para que abarcara esas radiaciones invisibles, y desde entonces
se ha ampliado para incluir las ondas de radio más allá del infrarrojo y los rayos X y rayos gamma más allá
del ultravioleta.
En la actualidad, el término espectro se aplica frecuentemente en un sentido más amplio a cualquier
distribución ordenada producida por el análisis de un fenómeno complejo. Un sonido complejo, como por
ejemplo un ruido, puede analizarse como un espectro acústico formado por tonos puros de diferentes
frecuencias. Igualmente, una mezcla compleja de elementos o isótopos con distinta masa atómica puede ser
separada en una secuencia ordenada según su masa atómica y denominada espectro de masas.
La espectroscopia no sólo ha proporcionado un método importante y sensible para el análisis químico, sino
que ha sido el principal instrumento para descubrimientos en campos aparentemente no relacionados, como la
astrofísica o la teoría atómica. En general, los cambios en el movimiento de los electrones exteriores de los
átomos dan lugar a espectros en la región visible, infrarroja y ultravioleta. Los cambios en el movimiento de
los electrones interiores de los átomos pesados producen espectros de rayos X. Los cambios en la
configuración del núcleo de un átomo producen espectros de rayos gamma. Los cambios en la configuración
de las moléculas producen espectros visibles e infrarrojos.
Los distintos colores de luz tienen en común el ser radiaciones electromagnéticas que se desplazan con la
misma velocidad, aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo. Se diferencian en su frecuencia y
longitud de onda (la frecuencia es igual a la velocidad de la luz dividida entre la longitud de onda). Dos rayos
de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color. La longitud de onda de la
luz es tan corta que suele expresarse en nanómetros (nm), que equivalen a una milmillonésima de metro, o una
millonésima de milímetro. La longitud de onda de la luz violeta varía entre unos 400 y 450 nm, y la de la luz
roja entre unos 620 y 760 nm.
Difracción, en física, fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se extiende
después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una rendija estrecha, en lugar de seguir
avanzando en línea recta. La expansión de la luz por la difracción produce una borrosidad que limita la
capacidad de aumento útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media
milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos. Sólo un microscopio
óptico de barrido de campo cercano puede superar el límite de la difracción y visualizar detalles ligeramente
menores que la longitud de onda de la luz.
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Interferencia, efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. Cuando las ondas
interfieren entre sí, la amplitud (intensidad o tamaño) de la onda resultante depende de las frecuencias, fases
relativas (posiciones relativas de crestas y valles) y amplitudes de las ondas iniciales. Por ejemplo, la
interferencia constructiva se produce en los puntos en que dos ondas de la misma frecuencia que se solapan o
entrecruzan están en fase; es decir, cuando las crestas y los valles de ambas ondas coinciden. En ese caso, las
dos ondas se refuerzan mutuamente y forman una onda cuya amplitud es igual a la suma de las amplitudes
individuales de las ondas originales. La interferencia destructiva se produce cuando dos ondas de la misma
frecuencia están completamente desfasadas una respecto a la otra; es decir, cuando la cresta de una onda
coincide con el valle de otra. En este caso, las dos ondas se cancelan mutuamente. Cuando las ondas que se
cruzan o solapan tienen frecuencias diferentes o no están exactamente en fase ni desfasadas, el esquema de
interferencia puede ser más complejo.
La luz visible está formada por ondas electromagnéticas que pueden interferir entre sí. La interferencia de
ondas de luz causa, por ejemplo, las irisaciones que se ven a veces en las burbujas de jabón. La luz blanca está
compuesta por ondas de luz de distintas longitudes de onda. Las ondas de luz reflejadas en la superficie
interior de la burbuja interfieren con las ondas de esa misma longitud reflejadas en la superficie exterior. En
algunas de las longitudes de onda, la interferencia es constructiva, y en otras destructiva. Como las distintas
longitudes de onda de la luz corresponden a diferentes colores, la luz reflejada por la burbuja de jabón aparece
coloreada. El fenómeno de la interferencia entre ondas de luz visible se utiliza en holografía e interferometría.
La interferencia puede producirse con toda clase de ondas, no sólo ondas de luz. Las ondas de radio interfieren
entre sí cuando rebotan en los edificios de las ciudades, con lo que la señal se distorsiona. Cuando se
construye una sala de conciertos hay que tener en cuenta la interferencia entre ondas de sonido, para que una
interferencia destructiva no haga que en algunas zonas de la sala no puedan oírse los sonidos emitidos desde el
escenario. Arrojando objetos al agua estancada se puede observar la interferencia de ondas de agua, que es
constructiva en algunos puntos y destructiva en otros.
Naturaleza de la luz
La energía radiante tiene una naturaleza dual, y obedece leyes que pueden explicarse a partir de una corriente
de partículas o paquetes de energía, los llamados fotones, o a partir de un tren de ondas transversales. El
concepto de fotón se emplea para explicar las interacciones de la luz con la materia que producen un cambio
en la forma de energía, como ocurre con el efecto fotoeléctrico o la luminiscencia. El concepto de onda suele
emplearse para explicar la propagación de la luz y algunos de los fenómenos de formación de imágenes. En
las ondas de luz, como en todas las ondas electromagnéticas, existen campos eléctricos y magnéticos en cada
punto del espacio, que fluctúan con rapidez. Como estos campos tienen, además de una magnitud, una
dirección determinada, son cantidades vectoriales. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares
entre sí y también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. La onda luminosa más sencilla es
una onda sinusoidal pura, llamada así porque una gráfica de la intensidad del campo eléctrico o magnético
trazada en cualquier momento a lo largo de la dirección de propagación sería la gráfica de una función seno.
El número de oscilaciones o vibraciones por segundo en un punto de la onda luminosa se conoce como
frecuencia. La longitud de onda es la distancia a lo largo de la dirección de propagación entre dos puntos con
la misma `fase', es decir, puntos que ocupan posiciones equivalentes en la onda. Por ejemplo, la longitud de
onda es igual a la distancia que va de un máximo de la onda sinusoidal a otro, o de un mínimo a otro. En el
espectro visible, las diferencias en longitud de onda se manifiestan como diferencias de color. El rango visible
va desde 350 nanómetros (violeta) hasta 750 nanómetros (rojo), aproximadamente (un nanómetro, nm, es una
milmillonésima de metro). La luz blanca es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles. No existen
límites definidos entre las diferentes longitudes de onda, pero puede considerarse que la radiación ultravioleta
va desde los 350 nm hasta los 10 nm. Los rayos infrarrojos, que incluyen la energía calorífica radiante,
abarcan las longitudes de onda situadas aproximadamente entre 750 nm y 1 mm. La velocidad de una onda
electromagnética es el producto de su frecuencia y su longitud de onda. En el vacío, la velocidad es la misma
para todas las longitudes de onda. La velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vacío,
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y varía para las distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersión. La relación entre la velocidad
de la luz en el vacío y la velocidad de una longitud de onda determinada en una sustancia se conoce como
índice de refracción de la sustancia para dicha longitud de onda. El índice de refracción del aire es 1,00029 y
apenas varía con la longitud de onda. En la mayoría de las aplicaciones resulta suficientemente preciso
considerar que es igual a 1.
Las leyes de reflexión y refracción de la luz suelen deducirse empleando la teoría ondulatoria de la luz
introducida en el siglo XVII por el matemático, astrónomo y físico holandés Christiaan Huygens. El principio
de Huygens afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas
esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud
de onda que el frente de onda del que proceden. Con ello puede definirse un nuevo frente de onda que
envuelve las ondas secundarias. Como la luz avanza en ángulo recto a este frente de onda, el principio de
Huygens puede emplearse para deducir los cambios de dirección de la luz.
Cuando las ondas secundarias llegan a otro medio u objeto, cada punto del límite entre los medios se convierte
en una fuente de dos conjuntos de ondas. El conjunto reflejado vuelve al primer medio, y el conjunto
refractado entra en el segundo medio. El comportamiento de los rayos reflejados y refractados puede
explicarse por el principio de Huygens. Es más sencillo, y a veces suficiente, representar la propagación de la
luz mediante rayos en vez de ondas. El rayo es la línea de avance, o dirección de propagación, de la energía
radiante y, por tanto, perpendicular al frente de onda. En la óptica geométrica se prescinde de la teoría
ondulatoria de la luz y se supone que la luz no se difracta. La trayectoria de los rayos a través de un sistema
óptico se determina aplicando las leyes de reflexión y refracción.
Reflexión y refracción
Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo
medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde
puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de
ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es
decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia. El ángulo de incidencia es el
ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo.
Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, y que el rayo
incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en un mismo plano. Si la
superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada (figura 2).
En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos
rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador
situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De las leyes de
reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con la superficie del espejo que AC y AB. En este
caso, en el que el espejo es plano, la imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la
misma distancia que hay entre éste y el objeto que está delante.
Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran
en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente
puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y
no puedan formar una imagen.
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Polarización de la luz
Los átomos de una fuente de luz ordinaria emiten pulsos de radiación de duración muy corta. Cada pulso
procedente de un único átomo es un tren de ondas prácticamente monocromático (con una única longitud de
onda). El vector eléctrico correspondiente a esa onda no gira en torno a la dirección de propagación de la
onda, sino que mantiene el mismo ángulo, o acimut, respecto a dicha dirección. El ángulo inicial puede tener
cualquier valor. Cuando hay un número elevado de átomos emitiendo luz, los ángulos están distribuidos de
forma aleatoria, las propiedades del haz de luz son las mismas en todas direcciones, y se dice que la luz no
está polarizada. Si los vectores eléctricos de todas las ondas tienen el mismo ángulo acimutal (lo que significa
que todas las ondas transversales están en el mismo plano), se dice que la luz está polarizada en un plano, o
polarizada linealmente.
Cualquier onda electromagnética puede considerarse como la suma de dos conjuntos de ondas: uno en el que
el vector eléctrico vibra formando ángulo recto con el plano de incidencia y otro en el que vibra de forma
paralela a dicho plano. Entre las vibraciones de ambas componentes puede existir una diferencia de fase, que
puede permanecer constante o variar de forma constante. Cuando la luz está linealmente polarizada, por
ejemplo, esta diferencia de fase se hace 0 o 180°. Si la relación de fase es aleatoria, pero una de las
componentes es más intensa que la otra, la luz está en parte polarizada. Cuando la luz es dispersada por
partículas de polvo, por ejemplo, la luz que se dispersa en un ángulo de 90°. Con la trayectoria original del
haz está polarizada en un plano, lo que explica por qué la luz procedente del cenit está marcadamente
polarizada.
Para ángulos de incidencia distintos de 0 o 90°, la proporción de luz reflejada en el límite entre dos medios no
es igual para ambas componentes de la luz. La componente que vibra de forma paralela al plano de incidencia
resulta menos reflejada. Cuando la luz incide sobre un medio no absorbente con el denominado ángulo de
Brewster, llamado así en honor al físico británico del siglo XIX David Brewster, la parte reflejada de la
componente que vibra de forma paralela al plano de incidencia se hace nula. Con ese ángulo de incidencia, el
rayo reflejado es perpendicular al rayo refractado; la tangente de dicho ángulo de incidencia es igual al
cociente entre los índices de refracción del segundo medio y el primero.
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Algunas sustancias son anisótropas, es decir, muestran propiedades distintas según la dirección del eje a lo
largo del cual se midan. En esos materiales, la velocidad de la luz depende de la dirección en que ésta se
propaga a través de ellos. Algunos cristales son birrefringentes, es decir, presentan doble refracción. A no ser
que la luz se propague de forma paralela a uno de los ejes de simetría del cristal (un eje óptico del cristal), la
luz se separa en dos partes que avanzan con velocidades diferentes. Un cristal uniáxico tiene uno de estos ejes.
La componente cuyo vector eléctrico vibra en un plano que contiene el eje óptico es el llamado rayo ordinario;
su velocidad es la misma en todas las direcciones del cristal, y cumple la ley de refracción de Snell. La
componente que vibra formando un ángulo recto con el plano que contiene el eje óptico constituye el rayo
extraordinario, y la velocidad de este rayo depende de su dirección en el cristal. Si el rayo ordinario se
propaga a mayor velocidad que el rayo extraordinario, la birrefringencia es positiva; en caso contrario la
birrefringencia es negativa.
Cuando un cristal es biáxico, la velocidad depende de la dirección de propagación para todas las componentes.
Se pueden cortar y tallar los materiales birrefringentes para introducir diferencias de fase específicas entre dos
grupos de ondas polarizadas, para separarlos o para analizar el estado de polarización de cualquier luz
incidente. Un polarizador sólo transmite una componente de la vibración, ya sea reflejando la otra mediante
combinaciones de prismas adecuadamente tallados o absorbiéndola. El fenómeno por el que un material
absorbe preferentemente una componente de la vibración se denomina dicroísmo. El material conocido como
Polaroid presenta dicroísmo; está formado por numerosos cristales dicroicos de pequeño tamaño incrustados
en plástico, con todos sus ejes orientados de forma paralela. Si la luz incidente es no polarizada, el Polaroid
absorbe aproximadamente la mitad de la luz. Los reflejos de grandes superficies planas, como un lago o una
carretera mojada, están compuestos por luz parcialmente polarizada, y un Polaroid con la orientación
adecuada puede absorberlos en más de la mitad. Este es el principio de las gafas o anteojos de sol Polaroid.
Los llamados analizadores pueden ser físicamente idénticos a los polarizadores. Si se cruzan un polarizador y
un analizador situados consecutivamente, de forma que el analizador esté orientado para permitir la
transmisión de las vibraciones situadas en un plano perpendicular a las que transmite el polarizador, se
bloqueará toda la luz procedente del polarizador.
Las sustancias `ópticamente activas' giran el plano de polarización de la luz linealmente polarizada. Un cristal
de azúcar o una solución de azúcar, pueden ser ópticamente activos. Si se coloca una solución de azúcar entre
un polarizador y un analizador cruzados tal como se ha descrito antes, parte de la luz puede atravesar el
sistema. El ángulo que debe girarse el analizador para que no pase nada de luz permite conocer la
concentración de la solución. El polarímetro se basa en este principio.
Algunas sustancias como el vidrio y el plástico que no presentan doble refracción en condiciones normales
pueden hacerlo al ser sometidas a una tensión. Si estos materiales bajo tensión se sitúan entre un polarizador y
un analizador, las zonas coloreadas claras y oscuras que aparecen proporcionan información sobre las
tensiones. La tecnología de la fotoelasticidad se basa en la doble refracción producida por tensiones.
También puede introducirse birrefrigencia en materiales normalmente homogéneos mediante campos
magnéticos y eléctricos. Cuando se somete un líquido a un campo magnético fuerte, puede presentar doble
refracción. Este fenómeno se conoce como efecto Kerr, en honor del físico británico del siglo XIX John Kerr.
Si se coloca un material apropiado entre un polarizador y un analizador cruzados, puede transmitirse o no la
luz según si el campo eléctrico en el material está conectado o desconectado. Este sistema puede actuar como
un conmutador o modulador de luz extremadamente rápido.
Interferencia y difracción
Cuando dos haces de luz se cruzan pueden interferir, lo que afecta a la distribución de intensidades resultante.
La coherencia de dos haces expresa hasta qué punto están en fase sus ondas. Si la relación de fase cambia de
forma rápida y aleatoria, los haces son incoherentes. Si dos trenes de ondas son coherentes y el máximo de
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una onda coincide con el máximo de otra, ambas ondas se combinan produciendo en ese punto una intensidad
mayor que si los dos haces no fueran coherentes. Si son coherentes y el máximo de una onda coincide con el
mínimo de la otra, ambas ondas se anularán entre sí parcial o totalmente, con lo que la intensidad disminuirá.
Cuando las ondas son coherentes, puede formarse un diagrama de interferencia formado por franjas oscuras y
claras. Para producir un diagrama de interferencia constante, ambos trenes de ondas deben estar polarizados
en el mismo plano. Los átomos de una fuente de luz ordinaria irradian luz de forma independiente, por lo que
una fuente extensa de luz suele emitir radiación incoherente. Para obtener luz coherente de una fuente así, se
selecciona una parte reducida de la luz mediante un pequeño orificio o rendija. Si esta parte vuelve a separarse
mediante una doble rendija, un doble espejo o un doble prisma y se hace que ambas partes recorran
trayectorias de longitud ligeramente diferente antes de combinarlas de nuevo, se produce un diagrama de
interferencias. Los dispositivos empleados para ello se denominan interferómetros; se utilizan para medir
ángulos pequeños, como los diámetros aparentes de las estrellas, o distancias pequeñas, como las desviaciones
de una superficie óptica respecto a la forma deseada. Las distancias se miden en relación a la longitud de onda
de la luz empleada.
El primero en mostrar un diagrama de interferencias fue el físico británico Thomas Young, en el experimento
ilustrado en la figura 8. Un haz de luz que había pasado previamente por un orificio, iluminaba una superficie
opaca con dos orificios o rendijas. La luz que pasaba por ambas rendijas formaba un diagrama de franjas
circulares sucesivamente claras y oscuras en una pantalla. En la ilustración están dibujadas las ondulaciones
para mostrar que en puntos como A, C o E (intersección de dos líneas continuas), las ondas de ambas rendijas
llegan en fase y se combinan aumentando la intensidad. En otros puntos, como B o D (intersección de una
línea continua con una línea de puntos), las ondas están desfasadas 180° y se anulan mutuamente.
Las ondas de luz reflejadas por las dos superficies de una capa transparente extremadamente fina situada sobre
una superficie lisa pueden interferir entre sí. Las irisaciones de una fina capa de aceite sobre el agua se deben
a la interferencia, y demuestran la importancia del cociente entre el espesor de la capa y la longitud de onda de
la luz. Puede emplearse una capa o varias capas de materiales diferentes para aumentar o disminuir la
reflectividad de una superficie. Los separadores de haz dicroicos son conjuntos de capas de distintos
materiales, cuyo espesor se fija de forma que una banda de longitudes de onda sea reflejada y otra sea
transmitida. Un filtro interferencial construido con estas capas transmite una banda de longitudes de onda
extremadamente estrecha y refleja el resto de las longitudes. La forma de la superficie de un elemento óptico
puede comprobarse presionándolo contra un patrón y observando el diagrama de franjas que se forma debido
a la capa delgada de aire que queda entre ambas superficies.
La luz que incide sobre el borde de un obstáculo es desviada, o difractada, y el obstáculo no genera una
sombra geométrica nítida. Los puntos situados en el borde del obstáculo actúan como fuente de ondas
coherentes, y se forma un diagrama de interferencias denominado diagrama de difracción. La forma del borde
del obstáculo no se reproduce con exactitud, porque parte del frente de onda queda cortado.
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Como la luz pasa por una abertura finita al atravesar una lente, siempre se forma un diagrama de difracción
alrededor de la imagen de un objeto. Si el objeto es extremadamente pequeño, el diagrama de difracción
aparece como una serie de círculos concéntricos claros y oscuros alrededor de un disco central, llamado disco
de Airy en honor al astrónomo británico del siglo XIX George Biddell Airy. Esto ocurre incluso con una lente
libre de aberraciones. Si dos partículas están tan próximas que los dos diagramas se solapan y los anillos
brillantes de una de ellas coinciden con los anillos oscuros de la segunda, no es posible resolver (distinguir)
ambas partículas. El físico alemán del siglo XIX Ernst Karl Abbe fue el primero en explicar la formación de
imágenes en un microscopio con una teoría basada en la interferencia de los diagramas de difracción de los
distintos puntos del objeto.
En óptica, el análisis de Fourier llamado así en honor al matemático francés Joseph Fourier permite
representar un objeto como una suma de ondas sinusoidales sencillas, llamadas componentes. A veces se
analizan los sistemas ópticos escogiendo un objeto cuyas componentes de Fourier se conocen y analizando las
componentes de Fourier de la imagen. Estos procedimientos determinan la llamada función de transferencia
óptica. En ocasiones, el empleo de este tipo de técnicas permite extraer información de imágenes de baja
calidad. También se han aplicado teorías estadísticas al análisis de las imágenes formadas.
Una red de difracción está formada por varios miles de rendijas de igual anchura y separadas por espacios
iguales (se consiguen rayando el vidrio o el metal con una punta de diamante finísima). Cada rendija produce
un diagrama de difracción, y todos estos diagramas interfieren entre sí. Para cada longitud de onda se forma
una franja brillante en un lugar distinto. Si se hace incidir luz blanca sobre la red, se forma un espectro
continuo. En instrumentos como monocromadores, espectrógrafos o espectrofotómetros se emplean prismas y
redes de difracción para proporcionar luz prácticamente monocromática o para analizar las longitudes de onda
presentes en la luz incidente.
Holograma, método de obtener imágenes fotográficas tridimensionales. Las imágenes se crean sin lente
alguna, por lo que esta técnica también se denomina fotografía sin lente. Las grabaciones reciben el nombre
de hologramas (en griego, holos, 'todo'; gram, 'mensaje'). Los principios teóricos de la holografía fueron
desarrollados por el físico británico de origen húngaro Dennis Gabor en 1947. La primera producción real de
hologramas tuvo lugar a principios de los años sesenta una vez disponible el láser. A finales de los años
ochenta se comenzó la fabricación de hologramas en color, así como de hologramas que cubrían desde la
región del espectro de las microondas hasta los rayos X. También se crearon hologramas ultrasónicos
utilizando ondas de sonido.
Producción
Un holograma se diferencia básicamente de una fotografía normal en que no sólo registra la distribución de
intensidades de la luz reflejada, sino también la de fases. Es decir, la película es capaz de distinguir entre las
ondas que inciden en la superficie fotosensible hallándose en su amplitud máxima, de aquellas que lo hacen
con amplitud mínima. Esta capacidad para diferenciar ondas con fases distintas se logra interfiriendo un haz
de referencia con las ondas reflejadas.
Así, en uno de los métodos de obtención de hologramas, el objeto se ilumina mediante un haz de luz
coherente, un haz en el que todas las ondas se desplazan en fase entre sí y que se genera con un láser. En
esencia, la forma del objeto determina el aspecto de los frentes de onda, es decir, la fase con la que la luz
reflejada incide en cada uno de los puntos de la placa fotográfica. Parte de este mismo haz láser se refleja
simultáneamente en un espejo o prisma y se dirige hacia la placa fotográfica; este haz se denomina haz de
referencia. Los frentes de onda de este último, al no reflejarse en el objeto, permanecen paralelos respecto del
plano y producen un patrón de interferencia con los frentes de onda de la luz reflejada por el objeto. Si éste es
un punto, por ejemplo, los frentes de onda del haz reflejado serán esféricos; el patrón de interferencia
producido en la película estarán entonces formados por círculos concéntricos, reduciéndose el espacio entre
los círculos a medida que aumenta el radio.
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El patrón de interferencia producido por un objeto más complicado también será mucho más complejo, por lo
que la simple inspección del holograma resultante sólo descubrirá un complicado patrón de estructuras
oscuras y claras que aparentemente no guardan ninguna relación con el objeto original. Sin embargo, si se
contempla el holograma bajo luz coherente, se hará visible el objeto grabado; y si se contempla el holograma
desde diferentes ángulos, el objeto también se ve desde distintos ángulos. El efecto tridimensional se consigue
porque el holograma reconstruye en el espacio los frentes de onda que originalmente fueron creados por el
objeto.
Este mecanismo se puede entender a la vista del ejemplo del holograma de un punto. La luz coherente que
incide en los círculos concéntricos del holograma sufre una difracción sobre una rejilla de difracción. El
ángulo del haz aumenta con la distancia respecto del centro de los anillos concéntricos, reconstruyendo así los
frentes esféricos de onda, y el espectador percibe el punto en la misma ubicación relativa en la que se hallaba
el punto real al construir el holograma. Los frentes de onda de los objetos más complejos se reconstruyen de la
misma forma. La distribución de intensidades de la luz reflejada se registra en el grado de oscurecimiento de
los patrones de interferencias de la película.
Aplicaciones
Hasta cierto punto, la holografía se puede aplicar en la microscopía óptica, especialmente en el estudio de los
organismos vivos. La mejor aplicación de la holografía, sin embargo, se halla en el campo de la
interferometría. Si se graban en una misma placa dos hologramas de un mismo objeto utilizando un
interferómetro, las dos imágenes se interferirán al reproducirlas. Si el objeto ha sufrido alguna deformación
entre ambas grabaciones, aparecerán diferencias de fase en determinadas zonas de las dos imágenes, creando
un patrón de interferencias que mostrará claramente dicha deformación. Al hacerse visibles diferencias en los
frentes de onda de pequeñas fracciones de longitud de onda, este método resulta de enorme sensibilidad para
el estudio de deformaciones de determinados materiales.
Otra aplicación importante la constituye el almacenamiento de datos digitales, que se pueden grabar como
puntos brillantes y oscuros en las imágenes holográficas. Un holograma puede contener un gran número de
'páginas' que se graban con ángulos distintos respecto de la placa, permitiendo almacenar una cantidad enorme
de datos en un solo holograma. Iluminándola mediante un haz de láser con diferentes ángulos se pueden
recuperar selectivamente las distintas páginas.
Color, fenómeno físico de la luz o de la visión, asociado con las diferentes longitudes de onda en la zona
visible del espectro electromagnético. Como sensación experimentada por los seres humanos y determinados
animales, la percepción del color es un proceso neurofisiológico muy complejo. Los métodos utilizados
actualmente para la especificación del color se encuadran en la especialidad llamada colorimetría, y consisten
en medidas científicas precisas basadas en las longitudes de onda de tres colores primarios.
La luz visible está formada por vibraciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda van de unos 350 a
unos 750 nanómetros (milmillonésimas de metro). La luz blanca es la suma de todas estas vibraciones cuando
sus intensidades son aproximadamente iguales. En toda radiación luminosa se pueden distinguir dos aspectos:
uno cuantitativo, su intensidad, y otro cualitativo, su cromaticidad. Esta última viene determinada por dos
sensaciones que aprecia el ojo: la tonalidad y la saturación. Una luz compuesta por vibraciones de una única
longitud de onda del espectro visible es cualitativamente distinta de una luz de otra longitud de onda. Esta
diferencia cualitativa se percibe subjetivamente como tonalidad. La luz con longitud de onda de 750
nanómetros se percibe como roja, y la luz con longitud de onda de 350 nanómetros se percibe como violeta.
Las luces de longitudes de onda intermedias se perciben como azul, verde, amarilla o anaranjada,
desplazándonos desde la longitud de onda del violeta a la del rojo.
El color de la luz con una única longitud de onda o una banda estrecha de longitudes de onda se conoce como
color puro. De estos colores puros se dice que están saturados, y no suelen existir fuera del laboratorio. Una
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excepción es la luz de las lámparas de vapor de sodio empleadas en ocasiones para la iluminación de calles y
carreteras, que es de un amarillo espectral casi completamente saturado. La amplia variedad de colores que se
ven todos los días son colores de menor saturación, es decir, mezclas de luces de distintas longitudes de onda.
Colores primarios
El ojo humano no funciona como una máquina de análisis espectral, y puede producirse la misma sensación
de color con estímulos físicos diferentes. Así, una mezcla de luces roja y verde de intensidades apropiadas
parece exactamente igual a una luz amarilla espectral, aunque no contiene luz de las longitudes de onda
asociadas al amarillo. Puede reproducirse cualquier sensación de color mezclando aditivamente diversas
cantidades de luces roja, azul y verde. Por eso se conocen estos colores como colores aditivos primarios. Si se
mezclan luces de estos colores primarios con intensidades aproximadamente iguales se produce la sensación
de luz blanca. También existen parejas de colores espectrales puros, que si se mezclan aditivamente, producen
la misma sensación que la luz blanca, por lo que se denominan colores complementarios. Entre esos pares
figuran determinados amarillos y azules, o rojos y verdes azulados.
Todos los objetos tienen la propiedad de absorber y reflejar ciertas radiaciones electromagnéticas. La mayoría
de los colores que experimentamos normalmente son mezclas de longitudes de onda que provienen de la
absorción parcial de la luz blanca. Casi todos los objetos deben su color a los filtros, pigmentos o pinturas,
que absorben determinadas longitudes de onda de la luz blanca y reflejan o transmiten las demás; estas
longitudes de onda reflejadas o transmitidas son las que producen la sensación de color, que se conoce como
color pigmento.
Los colores pigmento que absorben la luz de los colores aditivos primarios se llaman colores sustractivos
primarios. Son el magenta que absorbe el verde, el amarillo que absorbe el azul y el cyan (azul verdoso), que
absorbe el rojo. Por ejemplo, si se proyecta una luz verde sobre un pigmento magenta, apenas se refleja luz, y
el ojo percibe una zona negra. Los colores sustractivos primarios pueden mezclarse en proporciones diferentes
para crear casi cualquier tonalidad; los tonos así obtenidos se llaman sustractivos. Si se mezclan los tres en
cantidades aproximadamente iguales, producen una tonalidad muy oscura, aunque nunca completamente
negra. Los primarios sustractivos se utilizan en la fotografía en color: para las diapositivas y negativos en
color se emplean tintes de color magenta, cyan y amarillo; en las fotografías en color sobre papel se emplean
tintas de estos mismos colores; también se usa tinta negra para reforzar el tono casi negro producido al
mezclar los tres colores primarios.
Nuestra percepción del color de las partes de una escena no sólo depende de la cantidad de luz de las
diferentes longitudes de onda que nos llega de ellas. Cuando sacamos un objeto iluminado con luz artificial
que contiene mucha luz rojiza de altas longitudes de onda a la luz del día que contiene más luz azulada de
longitudes de onda cortas la composición de la luz reflejada por el objeto cambia mucho. Sin embargo, no
solemos percibir ningún cambio en el color del objeto. Esta constancia del color se debe a la capacidad del
sistema formado por el ojo y el cerebro para comparar la información sobre longitudes de onda procedente de
todas las partes de una escena. Edwin Herbert Land, físico estadounidense e inventor del sistema de fotografía
instantánea Polaroid Land, demostró los cálculos enormemente complejos que lleva a cabo el `retinex' (como
llamó Land al sistema formado por la retina del ojo y el córtex cerebral) para lograr la constancia de color.
El ojo y el cerebro también pueden reconstruir los colores a partir de una información muy limitada. Land
realizó dos diapositivas (transparencias) en blanco y negro de una misma escena, una vez con iluminación roja
para las longitudes de onda largas y otra con iluminación verde para las longitudes de onda cortas. Cuando
ambas se proyectaron en la misma pantalla, usando luz roja en uno de los proyectores y luz verde en el otro,
apareció una reproducción con todos los colores. El mismo fenómeno tenía lugar incluso si se empleaba luz
blanca en uno de los proyectores. Si se invertían los colores de los proyectores, la escena aparecía en sus
colores complementarios.
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Absorción
No se conoce bien el mecanismo por el que las sustancias absorben la luz. Aparentemente, el proceso depende
de la estructura molecular de la sustancia. En el caso de los compuestos orgánicos, sólo muestran color los
compuestos no saturados y su tonalidad puede cambiarse alterándolos químicamente. Los compuestos
inorgánicos suelen ser incoloros en solución o en forma líquida, salvo los compuestos de los llamados
elementos de transición.
El color también se produce por otras formas que no son la absorción de luz. Las irisaciones de la madreperla
o de las burbujas de jabón son causadas por interferencia. Algunos cristales presentan diferentes colores según
el ángulo que forma la luz que incide sobre ellos: este fenómeno se denomina pleocroísmo. Una serie de
sustancias muestran colores diferentes según sean iluminadas por luz transmitida o reflejada. Por ejemplo, una
lámina de oro muy fina aparece verde bajo luz transmitida. Las luces de algunas gemas, en particular del
diamante, se deben a la dispersión de la luz blanca en los tonos espectrales que la componen, como ocurre en
un prisma. Algunas sustancias, al ser iluminadas por luz de una determinada tonalidad, la absorben e irradian
luz de otra tonalidad, cuya longitud de onda es siempre mayor. Este fenómeno se denomina fluorescencia o,
cuando se produce de forma retardada, fosforescencia. El color azul del cielo se debe a la difusión de los
componentes de baja longitud de onda de la luz blanca del Sol por las moléculas de gas de la atmósfera. Una
difusión similar puede observarse en una sala de cine a oscuras. Visto desde un lado, el haz de luz del
proyector parece azulado debido a las partículas de polvo que hay en el aire.
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