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La luz, ¿es onda o partícula? En realidad, ninguno, pero tiene propiedades y comportamientos de ambos. Cuando la luz se está propagando a través del espacio, esta actúa como una onda y su comportamiento se describe con el modelo ondulatorio. Cuando la luz interactúa con materia, su naturaleza de pa...

La luz, ¿es onda o partícula? En realidad, ninguno, pero tiene propiedades y comportamientos de ambos. Cuando la luz se está propagando a través del espacio, esta actúa como una onda y su comportamiento se describe con el modelo ondulatorio. Cuando la luz interactúa con materia, su naturaleza de partícula se involucra.   Esta dualidad onda-partícula también aplica para partículas submicroscópicas como electrones.   El modelo de la luz que usaremos para resolver problemas prácticos de óptica dependerá de la situación particular: Óptica Geométrica - Trata a la luz como si fuera un rayo que viaja en línea recta a menos que sea desviado por un obstáculo Óptica ondulatoria - Trata a la luz como una onda, similar al sonido. Óptica cuántica - Maneja la emisión y absorción de la luz a un nivel atómico o cuántico, donde la luz es consideraba una partícula de energía, un fotón. La Luz como onda se describe como onda transversal electromagnética: Onda - Perturbación que transmite energía de un punto a otro Onda armónica - Onda que se describe con una función seno o coseno (como el tan popular oscilador armónico) Las ondas en general se describen por las siguientes cantidades: Amplitud (A) - Máximo desplazamiento de la onda desde el nivel del medio sin perturbaciones. Las unidades dependen del tipo de onda Longitud de onda (λ) - Distancia sobre la cual la onda se repite, por ejemplo de cresta a cresta, se mide en metros. Periodo (T) - El tiempo que le toma a una onda repetirse o el tiempo que le toma a un ciclo el ser completado, se mide en segundos. Frecuencia (f) - Número de ciclos que se realizan en un periodo de tiempo, usualmente un segundo. La luz, el ser una onda electromagnética, tiene a los campos Eléctrico (E) y magnético (H) oscilando. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y, además, la dirección de oscilación de estos campos es perpendicular a la dirección de desplazamiento de la onda, de ahí el uso del termino transversal.         La ecuación de onda completa es:    y = Asin (kx−ωt+ϕ)   Donde A - Amplitud k - corresponde a la distancia $$k = \frac{2\pi}{\lambda}$$ ω - relación de la velocidad angular y la frecuencia $$\omega = \frac{2\pi}{T} = 2\text{πf}$$ ϕ - Fase, es un punto específico de la onda Además, debemos relacionar a la onda de luz con: $$\nu = \frac{d}{t} = \frac{\lambda}{T} = \text{λf}$$ c = λf       No olvidemos que $$\mathbf{c}\ = \ \mathbf{299792458}\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{s}}$$     Luz visible: ROY G. BV => Red Orange Yellow Green Blue Violet       La luz incluye porciones del UV, IR y la luz visible, a lo que le llamamos normalmente espectro óptico.   Dato curioso: La óptica de imagen aprovecha la iluminación de objetos con diferentes fuentes o detectores especializados para crear imágenes sobre longitudes de onda invisibles al ojo humano para estudiar diversos fenómenos, entre ellos, formación de estrellas o presencia de ciertas enfermedades en tejido vivo. Para finales del siglo XIX, los físicos estaban convencidos de que la ciencia había casi concluido su labor de describir el mundo físico y que solo pequeños detalles estaban pendientes de ser explicados, uno de esos "pequeños detalles" fue el efecto fotoeléctrico.     Teniendo los conocimientos de la Física del siglo XIX, ¿Cómo explicamos que si radiamos un metal con luz UV este va a emitir electrones, pero no lo hará si lo radiamos con luz roja aun y cuando la irradiancia de la luz roja sea mucho mayor?   Como ya sabemos, en 1905 llego Einstein y nos explico que esa luz que se irradia son partículas de energía llamadas fotones y la energía de los fotones es directamente proporcional a la frecuencia.    $E = hf = \frac{hc}{\lambda}$   Donde h es la constante de Planck, de aquí que Planck sea considerado el padre de la física cuántica.     Emisión (arriba) y absorción (abajo) espectrales del gas Hidrógeno.   Estos espectros es la forma en que identificamos la "huella digital" de los elementos. Recordemos que si solo usamos nuestros ojos, puede haber variaciones de esto debido a la sensibilidad de nuestra visión.       Espectros del Hidrógeno (arriba) y del Helio (abajo).   Esto da lugar a fenómenos como la fluorescencia o la fosforescencia.    Cuerpo negro - Es un objeto que absorbe toda la luz incidente en todas las longitudes de onda, por lo que parece negro para el ojo. Es un absorbedor perfecto y un emisor perfecto de radiación. A cualquier temperatura, la distribución espectral del cuerpo negro depende solo de la temperatura y no del material del que está hecho el cuerpo negro.   La pupila del ojo humano es una buena aproximación a un cuerpo negro.       Radiometría - Es la medición de la energía de radiación óptica y se refiere, de forma más general, a los principios y leyes detrás de la generación, propagación y detección de la radiación óptica.   Fotometría - Es el estudio de la radiación óptica en la porción del espectro electromagnético que es perceptible al ojo humano.   Para la medición del espectro tenemos: Unidades radiométricas, aplicables a todo el espectro electromagnético Unidades fotométricas, aplicables solo al espectro visible y dependientes de la respuesta del ojo humano.   Cuando analizamos una fuente de radiación o la radiación recibida por un detector, podemos recurrir a las siguientes cantidades radiométricas para caracterizarla.   Cantidad Símbolo Definición Unidades Energía radiante Q Es la energía total contenida en un campo de radiación o la energía total entregada a un receptor por un campo de radiación. Joules Flujo radiante Φ Es la cantidad equivalente a la potencia, también es llamada potencia radiante. Es la variación de la energía con respecto al tiempo. $$\frac{\text{dQ}}{\text{dt}}$$ Watts Intensidad radiante I Es el flujo por unidad de ángulo sólido emitida por una fuente. $$I\ = \frac{\text{dΦ}}{\text{dΩ}}$$ $$\frac{W}{\text{Sr}}$$ Exitancia radiante M Es el flujo por unidad de área radiada hacia un hemisferio. Es considerada una medida de la densidad de flujo, es decir, la cantidad de flujo de energía por unidad de área saliendo de una fuente. $$M\ = \frac{\text{dΦ}}{\text{dA}}$$ $$\frac{W}{m^{2}}$$ Irradiancia o Incidancia Radiante E Es el flujo irradiado desde un hemisferio sobre una superficie por unidad de área. Se considera lo opuesto a la exitancia, es decir, la potencia que entra a un detector por unidad de área. $$E\ = \frac{\text{dΦ}}{\text{dA}}$$ $$\frac{W}{m^{2}}$$ Radiancia L Es la cantidad fundamental de la radiometría. Es el flujo por unidad de área y por unidad de ángulo sólido proyectado de una fuente o, de manera alternativa, la potencia por unidad de área proyectada y unidad de ángulo sólido $$L\ = \frac{d^{2}\Phi}{\text{dAdΩcosθ}} = \frac{\text{dE}}{\text{dΩ}}$$ $$\frac{W}{m^{2}\text{Sr}}$$ La radiancia también es conocida como brillantez o intensidad específica y tiene una naturaleza direccional. Se dice que las fuentes de las que emana son fuentes activas, es decir, térmicas o emisores luminiscentes. El ojo humano puede detectar lo que llamamos la porción visible del espectro, que es entre 360 y 780 nm aproximadamente (hay variaciones dependiendo del autor), y nuestra respuesta espectral tiene adaptaciones a 2 niveles de luminancia: Visión fotópica - adaptación a la luz del día. Visión escotópica - adaptación a la oscuridad. Entre ambos rangos se encuentra un nivel dinámico intermedio de adaptación a la luminancia entre la visión fotópica y la escotópica, este nivel intermedio es llamado visión mesóscopica.   Las distintas respuestas de visión se deben en específico a los 2 fotorreceptores del ojo humano, los conos, que responden a las condiciones fotópicas y permiten que distingamos colores, y los bastones, los cuales permiten que nuestra visión se adapte a la oscuridad y son los que responden a las condiciones escotópicas. En el caso de la visión mesoscópica, los conos y los bastones responden de manera proporcional.   El lumen (lm) es la unidad de medida del flujo luminoso, el equivalente al Watt de la radiometría.   La definición del lumen parte de considerar el flujo luminoso de una radiación monocromática λ = 555nm y con un flujo radiante igual a $\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{683}\mathbf{W}}$, definiendo así el valor de la constante de eficacia luminosa, Km.   Cantidad Símbolo Definición Unidades Energía luminosa Qv ∫ϕvdt lm • s = talbot Densidad de energía luminosa Uv $$\frac{dQ_{v}}{\text{dV}}$$ $$\frac{\text{lm} \bullet s}{m^{3}} = \frac{\text{talbot}}{m^{3}}$$ Flujo luminoso o potencia luminosa Φv $$\frac{dQ_{v}}{\text{dt}}$$ lm Iluminancia o incidancia luminosa Ev $$\frac{d\phi_{v}}{\text{dA}}$$ $$\frac{\text{lm}}{m^{2}} = \text{lx}$$ Exitancia luminosa Mv $$\frac{d\phi_{v}}{\text{dA}}$$ $$\frac{\text{lm}}{m^{2}} = \text{lx}$$ Intensidad luminosa Iv $$\frac{d\phi_{v}}{d\Omega}$$ $$\frac{\text{lm}}{\text{Sr}} = \text{cd}$$ Luminancia Lv $$\frac{d^{2}\phi_{v}}{dA_{\text{proy}}d\Omega}$$ $$\frac{\text{lm}}{m^{2} \bullet \text{Sr}} = \frac{\text{lx}}{\text{Sr}}$$   Flujo luminoso (ϕv) - cantidad fundamental de la fotometría: ϕv = Km∫380760V(λ)ϕindλ   donde V(λ) es la función de la respuesta visual fotópica ϕin es el flujo radiante de la longitud de onda visible Km es la constante de eficacia luminosa     Los valores de la función de de la respuesta fotópica (Vλ = V(λ)) y escotópica (Vλ*) se pueden obtener de la siguiente tabla      Seguridad láser   Clasificación de los láseres: Clase 1 - Incluye láseres de muy baja potencia (que no producen daños) y láseres de mayor potencia pero con estructuras que limitan o prohíben el acceso a la radiación láser (ejemplo: un reproductor de DVD). Clase 1M - Láseres normalmente seguros para los ojos y la piel, pero pueden causar daños si la salida se concentra usando elementos ópticos. Clase 2 - Deben emitir radiación visible. Tienen una salida con mayor potencia que un clase 1 pero menor a 1 mW. Esta clasificación asume que la persona va a parpadear o voltearse de una fuente de luz brillante en un cuarto de segundo, antes de que el ojo sea dañado. Esto es llamado tiempo de reacción de aversión humana o reflejo de parpadeo. Clase 2M - Tienen un diámetro amplio o fuentes divergentes de luz visible. El ojo es protegido por la reacción de aversión, a menos que el rayo sea concentrado. Clase 3R - Normalmente no causan daño por una exposición breve, pero se debe evitar observarlos directamente. Para láseres visibles en rango de salida debe estar entre 1 a 5 mW. Es el límite de un apuntador láser en US. Clase 3B - Sistemas láseres con una salida constante de entre 5 y 500 mW y láseres pulsados en el rango visible con energía de 30 mili Joules por pulso. Pueden producir daño ocular al verse sin protección y pueden tener reflexiones especulares peligrosas, pero las reflexiones difusas son inofensivas. Clase 4 - Todos los láseres que exceden los límites de los clase 3B entran en esta clasificación. Son peligrosas todas sus reflexiones y también representan un peligro para la piel.         Emisión - Generación de radiación óptica, se relaciona con la radiación del cuerpo negro. Se considera el origen o inicio del camino óptico.   Transmitancia (τ) - Radiación óptica que se transmite a otro medio.   Reflectancia (ρ) - Radiación óptica que se refleja en la interfaz.   Absorbancia (α)- Radiación óptica que absorbe el medio.   Para una situación ideal: τ + ρ + α = 1   Entonces     Óptica - Significa el conocer la naturaleza y propiedades de la Luz. Es la ciencia que estudia los orígenes, la propagación y la detección de la Luz.   Fotónica - Es la aplicación de la luz para la solución de problemas técnicos. Es una analogía del término electrónica en referencia al reemplazo del electrón por el fotón.