"Óptica tradicional y moderna" por Angel Gabriel Martinez Flores
Angel gabriel Martínez flores
2-AV SOPORTE Y MANTENIMIENTO
Óptica tradicional y moderna
El libro óptica tradicional y moderna es un libro en
el que se nos explica que es la óptica, la óptica instrumental, la metrología
óptica, los láseres, la holografía, etc.
También se nos explica su historia y de cómo empezaron
a utilizarse y para que se utilizaban y para que se pueden utilizar.
1.
¿Qué
es la óptica?
EL SENTIDO de la visión es el medio de comunicación con el
mundo exterior más importante que tenemos, lo que quizá pueda explicar por qué
la óptica es una de las ramas más antiguas de la ciencia. En broma podríamos
decir que la óptica comenzó cuando Adán vio a Eva por primera vez, aunque más
seriamente podemos afirmar que tan pronto el hombre tuvo conciencia del mundo
que habitaba se comenzó a percatar de muchos fenómenos luminosos a su
alrededor, el Sol, las estrellas, el arco iris, el color del cielo a diferentes
horas del día, y muchos otros. Estos fenómenos sin duda despertaron su
curiosidad e interés, que hasta la fecha sigue sin saciarse completamente.
Antes
de hablar de óptica conviene saber lo que ésta es. En forma estricta, podemos
definir la óptica de acuerdo con la convención de la Óptica Society of América,
para la cual es el estudio de la luz, de la manera como es emitida por los
cuerpos luminosos, de la forma en la que se propaga a través de los medios
transparentes y de la forma en que es absorbida por otros cuerpos. La óptica,
al estudiar los cuerpos luminosos, considera los mecanismos atómicos y
moleculares que originan la luz. Al estudiar su propagación, lógicamente
estudia los fenómenos luminosos relacionados con ella, como la reflexión, la
refracción, la interferencia y la difracción. Finalmente, la absorción de la
luz ocurre cuando la luz llega a su destino, produciendo ahí un efecto físico o
químico, por ejemplo, en la retina de un ojo, en una película fotográfica, en
una cámara de televisión, o en cualquier otro detector luminoso.
2.
La
óptica instrumental
LA óptica instrumental es sin duda la primera que
se desarrolló, debido a su gran utilidad práctica. La instrumentación óptica
moderna requiere de una gran cantidad de conocimientos en muchas áreas, pero
sin duda el más importante es la óptica geométrica, que se basa
fundamentalmente en las leyes de la reflexión y la refracción de la luz. A continuación,
haremos una breve síntesis del desarrollo de esta área de la óptica
Como es natural, la historia de la óptica
geométrica e instrumental está íntimamente ligada a la historia de las lentes,
al descubrimiento de las leyes de la reflexión, de la refracción, y de la
formación de las imágenes, al igual que a la historia de la invención de los
primeros instrumentos ópticos, como el telescopio, el microscopio y el
espectroscopio. En cierto modo, la mayoría de los instrumentos ópticos
posteriores son derivaciones o modificaciones de éstos, por lo que es sumamente
interesante describir cómo se inventaron y desarrollaron.
La teoría que desarrolló Gauss para el cálculo de
las posiciones del objeto y las imágenes producidas por las lentes es muy útil
para diseñar sistemas ópticos en forma bastante aproximada y se sigue usando
hasta la fecha. Sin embargo, esta teoría no es suficiente para diseñar un
sistema óptico perfecto, es decir, que forme imágenes de alta calidad y
definición. La razón es que existen unos defectos de las imágenes formadas por
las lentes, llamados aberraciones. Estas aberraciones sólo se pueden calcular
con una teoría para la formación de las imágenes mucho más completa y precisa
que la de Gauss. En 1856, L. Seidel desarrolló y publicó por primera vez una
teoría más completa que la de Gauss para el diseño de sistemas ópticos. Esta
teoría fue posteriormente perfeccionada y ampliada por múltiples investigadores
a principios de este siglo, entre los que destaca de manera notable A. E.
Conrady, quien publicó su famoso libro Applied Optics and Optical
Design en 1929, estableciendo así las bases fundamentales para el
diseño de lentes de alta calidad. Los avances más impresionantes en este campo
se han realizado después de la aparición de las computadoras electrónicas, pues
sólo con ellas ha sido posible diseñar con alta precisión, simulando en la
computadora el paso de la luz a través de la lente. El primer paso en el
proceso de diseño consiste en la proposición de un sistema de lentes, basado en
la experiencia del diseñador. El segundo paso es estudiar por medio de la
computadora cómo se comporta la luz al pasar a través del sistema, sin tener
que construirlo. Si el resultado no es el deseado, se modifican los parámetros
de las lentes, es decir, los radios de curvatura, los tipos de vidrios, etc.,
en la computadora, y se repite el proceso hasta que el resultado es
satisfactorio. El siguiente paso natural sería hacer que la computadora tomara
la decisión de cómo modificar el sistema óptico para tratar de mejorarlo.
Aunque esto no se ha logrado completamente, ya se ha conseguido una automatización
más o menos satisfactoria. El primer diseño semiautomático de lentes se efectuó
en la Universidad de Harvard en 1952.
3.
La
metrología óptica
LA
METROLOGÍA óptica es la rama de la óptica que tiene como propósito efectuar
medidas de muy alta precisión usando las ondas de la luz como escala. Esto se
hace por medio de unos instrumentos llamados interferómetros, basados en el
fenómeno de la interferencia, que se describirá más adelante. Ya que dicha
aplicación está fundamentada en la naturaleza ondulatoria de la luz, se
comenzará por describir brevemente la historia del desarrollo de los conceptos
sobre la naturaleza de la luz. Posteriormente, se tratarán las principales
aplicaciones de la metrología óptica.
El interferómetro es ahora una herramienta
indispensable en muchas actividades en las que sea necesario realizar
mediciones. A partir de 1947 se han extendido estas técnicas a las ondas de
radio, iniciándose así la radiointerferometría astronómica. Hoy en día, por
medio de técnicas interferométricas se pueden realizar una gran variedad de
medidas sumamente precisas, entre las que podemos mencionar las siguientes:
Medida y definición del metro patrón. El primero
que tomó la longitud de onda de la luz como referencia para especificar
longitudes de objetos fue Michelson. Esto se hace por medio del interferómetro
que se muestra en la figura 19, donde el primer objetivo es medir la separación
entre dos espejos, los que forman un sistema llamado etalón. La separación
entre los espejos del etalón es un múltiplo entero de medias longitudes de onda
de la luz empleada, a fin de que los haces reflejados en ambos espejos del
etalón estén en fase. El proceso es bastante laborioso, pues hay necesidad de
usar un gran número de etalones, donde cada uno tiene aproximadamente el doble
de longitud que el anterior. La razón de este largo proceso es que no es
posible contar las franjas de interferencia que aparecen al ir moviendo uno de
los espejos hasta llegar a la distancia de un metro. La limitación es la
coherencia del haz luminoso, que se describirá más tarde en la sección de
láseres. Actualmente, con el láser, es mucho más simple la medición del metro
patrón por interferometría.
EL LÁSER, cuyo nombre se ha formado con la
primera letra de cada palabra de la frase en inglés Light Amplification
Simulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión estimulada de
radiación), ha ampliado repentina y grandemente los horizontes de la óptica.
Cuando se descubrió, se vio inmediatamente que era un instrumento con grandes posibilidades
de aplicación, pero como surgió por accidente, no originado por una necesidad,
hubo que comenzar a buscar para qué era útil. Al decir accidente lo que se
quiere decir es que las investigaciones, originalmente dirigidas a otro fin,
llevaron inesperadamente al descubrimiento del láser. Debido a esto, se decía
en broma en un principio que el láser era una solución en busca de un problema
que resolver.
La historia del láser se remonta al año de 1916,
cuando Albert Einstein estudió y predijo el fenómeno de emisión estimulada en
los átomos, según el cual un átomo que recibe luz de la misma longitud de onda
de la que puede emitir, es estimulado a emitirla en ese instante.
El siguiente trabajo fundamental para la
evolución posterior del láser fue el del bombeo óptico, desarrollado a
principios de la década de los cincuenta por Alfred Kastler (1902-1984), nacido
en Guewiller, Alsacia, y educado en Colmar, entonces posesión alemana. Durante
la primera Guerra Mundial Kastler fue enrolado en el ejército alemán, pero al
concluir la guerra ingresó a la École Normale Supérieure en París, donde obtuvo
su maestría. Más tarde obtuvo el doctorado en física en la Universidad de
Bourdeaux. Desde entonces hasta su muerte vivió en Francia. En 1974 Kastler
estuvo de visita algunos días en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y
Electrónica, en Tonantzintla, Puebla, donde el autor de este libro tuvo el gran
placer de conocerlo personalmente. Era una persona dotada de un gran carisma y
sencillez, que afirmaba que los grandes descubrimientos científicos como los
que él había hecho se lograban simplemente manteniendo la mente despierta para
examinar cualquier acontecimiento imprevisto. El trabajo de Kastler sobre el
bombeo óptico, basado en técnicas de resonancia ópticas, fue desarrollado con
la colaboración de su alumno Jean Brossel, de la École Normale Supérieure de
París, y fructificó con el descubrimiento de métodos para subir el nivel
energético de los átomos; dicho de otro modo, métodos para que los electrones
de los átomos suban al nivel deseado, utilizando efectos de resonancia óptica.
Estos métodos recibieron el nombre de bombeo óptico por el mismo Kastler, quien
mereció el premio Nobel de física en 1966.
5.
La holografía
LA HOLOGRAFÍA se puede describir en muy pocas palabras como
un sistema de fotografía tridimensional, sin el uso de lentes para formar la
imagen. Ésta es una de las técnicas ópticas que ya se veían teóricamente
posibles antes de la invención del láser, pero que no se pudieron volver
realidad antes de él.
El método inventado por Leith y Upatnieks para
hacer los hologramas consiste primeramente en la iluminación con el haz
luminoso de un láser, del objeto cuya imagen se quiere registrar. Se coloca
después una placa fotográfica en una posición tal que a ella llegue la luz
tanto directa del láser, o reflejada en espejos planos, como la que se refleja
en el objeto cuya imagen se desea registrar (Figura 36a). Al haz directo que no
proviene del objeto se le llama haz de referencia y al otro se le llama haz del
objeto. Estos dos haces luminosos interfieren al coincidir sobre la placa
fotográfica. La imagen que se obtiene después de revelar la placa es un patrón
de franjas de interferencia. Esta es una complicada red de líneas similares a
las de una rejilla de difracción, pero bastante más complejas pues no son
rectas, sino muy curvas e irregulares.
6.
Procesamiento
de imágenes
EL PROCESAMIENTO de imágenes tiene como objetivo mejorar el
aspecto de las imágenes y hacer más evidentes en ellas ciertos detalles que se
desean hacer notar. La imagen puede haber sido generada de muchas maneras, por
ejemplo, fotográficamente, o electrónicamente, por medio de monitores de
televisión. El procesamiento de las imágenes se puede en general hacer por
medio de métodos ópticos, o bien por medio de métodos digitales, en una
computadora. En la siguiente sección describiremos muy brevemente estos dos
métodos, pero antes se hará una síntesis brevísima de los principios
matemáticos implícitos en ambos métodos, donde el teorema de Fourier es el eje
central.
Los principios del procesamiento óptico de
imágenes están bien establecidos desde el siglo pasado, cuando se desarrolló la
teoría de la difracción de la luz. Sin embargo, su aplicación práctica data
apenas del principio de la década de los sesenta, cuando se comenzó a disponer
del rayo láser.
El procesamiento óptico se basa en el hecho de
que la imagen de difracción de Fraunhofer de una transparencia colocada en el
plano focal frontal de una lente es una distribución luminosa que representa la
distribución de las frecuencias de Fourier que componen la imagen, a la que se
le llama técnicamente transformada de Fourier.
7.
El papel de la
óptica en el futuro
EL PAPEL que desempeña la óptica en nuestras vidas es cada
vez más amplio, pues comienza a invadir campos donde antes no era lógico
esperar que interviniera. Ya hemos visto en este libro muchas de las
aplicaciones de la óptica moderna. Para concluir, describiremos ahora las
posibilidades que existen de realizar una verdadera revolución, que sería la
construcción de la computadora óptica.
La computadora óptica es la gran esperanza de la
óptica del futuro. Cuando se logre, las computadoras electrónicas que tanto nos
maravillan ahora quedarán obsoletas y anticuadas. La computadora del futuro
empleará pulsos luminosos en lugar de pulsos eléctricos, fibras ópticas en lugar
de conductores metálicos, láseres de estado sólido en lugar de generadores de
señales electrónicos, memorias holográficas en lugar de memorias de estado
sólido, válvulas y moduladores ópticos en lugar de amplificadores electrónicos,
etcétera.
8.
Historia y
estado actual de la óptica en México
LA ÓPTICA en México es sumamente joven y por lo
tanto también muy incompleta. Sin embargo, existen algunos datos que nos
permiten suponer que ya en el siglo XVIII se construían instrumentos ópticos
para usos astronómicos. Uno de los científicos que muy probablemente construyó
algunos telescopios pequeños fue el criollo autodidacta Joaquín Velázquez de
León (1732-1786). Otro científico, quizá el más importante de esa época, es
José Antonio Álzate (1737-1799), quien siguió la carrera eclesiástica y se
dedicó a la ciencia con tanto empeño y éxito que prácticamente tocó todos los
campos de la ciencia. Fue miembro de la Academia de Ciencias de París y del
Jardín Botánico de Madrid. Al igual que Velázquez de León, es muy probable que Álzate
también haya construido algunos instrumentos ópticos.
Durante la primera mitad del siglo
XIX el cultivo de la
ciencia y en particular el de la física fue muy limitado; sin embargo, en la
segunda mitad se recupera el entusiasmo. Es en esta época (1884) cuando el
antiguo Observatorio Astronómico de Chapultepec se traslada a la tranquila
villa de Tacubaya. Desde entonces se usaban instrumentos ópticos,
principalmente astronómicos, pero sólo a nivel de usuario, pues hasta hace poco
tiempo ninguno se fabricaba de manera industrial en nuestro país. Un ejemplo
son los telescopios astronómicos, tanto de aficionados como profesionales, que
en su mayoría eran de origen francés. Desde finales del siglo pasado, pero
principalmente desde alrededor de los años cuarenta, algunos aficionados a la
astronomía comenzaron a construir sus propios telescopios, de tamaño pequeño,
generalmente del tipo newtoniano. Ejemplos de ello son el señor José de la
Herrán padre y el señor Armando López Valdivia, de quien el autor de este
libro, cuando era estudiante de secundaria en la ciudad de León, Gto., en el
año de 1954, aprendió esta fascinante afición. Un ejemplo notable es la
Sociedad Astronómica de México, fundada en 1902, donde el señor Alberto
González Solís ha construido pequeños telescopios desde hace cincuenta años.
Los primeros trabajos ópticos serios a nivel profesional que se desarrollaron
en México probablemente fueron los relacionados con estudios astronómicos, en
especial las investigaciones fotométricas estelares efectuadas por los
astrónomos del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de
México. Son dignos de mención, entre otros, el doctor Eugenio Mendoza y la
doctora Paris Pismish, que trabajan con mucho éxito en este campo desde el
principio de la década de los sesenta.
En mi opinión es un buen libro porque se nos
explica algo que a lo mejor no sabíamos, este libro puede ser leído por todo el
público, lo que se nos explica es cómo funciona la óptica se nos explica su
historia entre otras cosas que se nos explica, se recomienda este libro a todo
aquel que esté interesado en todo lo que tenga que ver con la óptica.
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