METROLOGIA 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.
Ya que dicha aplicación esta fundamentada en la naturaleza
ondulatoria de la luz, se comenzara por
describir brevemente la historia del
desarrollo de los conceptos sobre la naturaleza de la luz.
APLICACIONES
a) 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
losespejos hasta llegar a la distancia de un metro. La limitación es la
coherencia del
haz luminoso, que se describira mas tarde en la sección de
laseres. Actualmente, con el laser, es mucho mas simple la
medición del
metro patrón por interferometría.
En 1960 el metro fue definido como
igual a 1650 763.73 longitudes de onda en el vacío, de la luz emitida en
una cierta línea espectral del
kriptón-86. Sin embargo, en lugar de definir el metro y luego medir la
velocidad c de la luz usando esta definición,
es posible hacer lo contrario.
Es decir, se define primero la velocidad c de la luz como una cierta cantidad
de metros recorridos en un segundo, de donde podemos escribir:
c = d/t
El siguiente paso es definir el metro como la distancia recorrida por la luz en
un tiempo igual a 1 /c. Esto es lo que actualmente se ha hecho para definir el
metro.
b) Medida de las deformaciones de una superficie. Frecuentemente,
debido a causas muy variadas, una superficie puede tener deformaciones pequeñísimas
que no son detectables a simple vista. A pesar de su
reducida magnitud, estas deformaciones pueden ser el síntoma de
problemas graves presentes o futuros. Como ejemplo, podemos mencionar una fractura
de un elemento mecanico de un avión ode
una maquina. Otro ejemplo es un calentamiento
local anormal en un circuito impreso o en una pieza mecanica sujeta a
fricción. Finalmente, Otro ejemplo es una deformación producida
por esfuerzos mecanicos que ponen en peligro la estabilidad del
cuerpo que los sufre. Es aquí donde la interferometría tiene un papel muy importante, detectando y midiendo estas
pequeñísimas deformaciones de la superficie. Esta
aplicación de las técnicas interferométricas es
especialmente útil y poderosa si se le combina con técnicas holograficas,
como
se vera mas adelante, en un proceso llamado
interferometría holografica. La figura 20 muestra un ejemplo de deformación local de la superficie de
una cubeta de plastico, medida con interferometría
holografica.
c) Determinación de la forma exacta de una superficie. Las superficies
ópticas de los instrumentos modernos de alta
precisión tienen que tallarse de tal manera que no tengan desviaciones
de la forma ideal, mayores de una fracción de la longitud de onda de la
luz. Para hacer el problema todavía mas difícil, la
superficie muy frecuentemente no es esférica sino de cualquier otra
forma, a la que de modo general se le denomina asférica. Esta
superficieasférica puede ser, por ejemplo, un
paraboloide o un hiperboloide de revolución, como ocurre en los telescopios
astronómicos, donde ademas la superficie a tallar puede ser de
varios metros de diametro. Es facil comprender lo difícil
que resulta tallar una superficie tan grande. Sin embargo, el
problema principal es medir las deformaciones de la superficie respecto a su
forma ideal. Esto se hace mediante la
interferometría, con técnicas muy diversas y complicadas que no
es posible describir aquí. La figura 21 muestra el interferograma
del
espejo principal o primario de un telescopio. Si la
superficie fuera perfectamente esférica, las franjas de interferencia
serían rectas. La pequeña curvatura de las franjas se debe
a que la superficie es ligeramente elipsoidal en lugar de esférica,
aunque la desviación es apenas alrededor de media longitud de onda, lo
que es aproximadamente tres diezmilésimas de milímetro.
d) Alineación de objetos sobre una línea recta perfecta. Es frecuente que aparezca la necesidad de tener una línea
recta de referencia muy precisa en una gran cantidad de actividades
ingenieriles de tipo muy diverso. Por ejemplo, la bancada o base de un torno de alta precisión debe ser tanto mas
recta cuanto mas fino sea el torno. En este
problema y muchos otros en los que se requiera alinear algocon muy alta
precisión, la interferometría es un auxiliar muy útil.
e) Determinación muy precisa de cambios del índice
de refracción en materiales transparentes. Los vidrios ópticos,
plasticos o cristales que se usan en las lentes, prismas y demas
elementos ópticos tienen que ser de una alta
homogeneidad tanto en su transparencia como
en su índice de refracción. Esto es especialmente necesario si el
instrumento óptico que los usa es de
alta precisión. Esta homogeneidad de los materiales transparentes se
mide con la tolerancia que sea necesaria por medio de interferometría.
f) Determinación muy precisa de velocidades o de variaciones en su
magnitud. Cuando una fuente luminosa se mueve respecto al observador, es bien
sabido que la longitud de onda de la luz tiene un
cambio aparente, alargandose o acortandose, según que el
objeto luminoso se aleje del
observador o se acerque a él, respectivamente. Este es el llamado efecto
Doppler, que se descubrió primero para las ondas sonoras y
posteriormente para la luz. Por medio de
interferometría se pueden detectar y medir variaciones sumamente
pequeñas en la longitud de onda, lo que permite detectar movimientos o
cambios también muy pequeños en la velocidad de un objeto. Esta propiedad se ha usado en muy diversas
aplicaciones, entre otras, la medida de lavelocidad del flujo de
líquidos o de gases.
g) Medición de angulos. Los angulos, al igual que las
distancias, también se pueden medir con muy alta
precisión por medio de técnicas interferométricas. Por
ejemplo, el paralelismo entre las dos caras de una
placa de vidrio de caras planas y paralelas, o el angulo recto entre las
dos caras de un prisma se pueden medir con una incertidumbre mucho menor de un
segundo de arco, lo que es totalmente imposible de lograr por otros
métodos.
OPTICA GEOMÉTRICA
Se ocupa de los fenómenos de radiación luminosa en los medios
homogéneos, sin considerar su naturaleza u origen.
1.- Propagación de la luz. En un medio
homogéneo la luz se propaga en línea recta, cumpliendo así
su principio de fernat , que dice que el camino mas
corto entre 2 puntos es una línea recta.
2.- Independencia reciproca. Dado un
haz de rayos luminosos, si se intercepta una parte con un cuerpo opaco los
rayos restantes no interceptados no sufren variación.
3.- Ley de reflexión.- a) el rayo incidente el
reflejo y la normal al punto de incidencia estan en un mismo plano. B) El
angulo de incidencia es igual al angulo de reflexión
4 Leyes de refracción: a) El rayo incidente
la normal y el rayo refractado estan en un mismo plano. B) la
relación entre el seno del rayo de
incidencia y el seno del
rayode refracción es una constante llamada ¨ constante de
refracción ¨, que depende de cada medio.
Aunque la óptica geométrica da una adecuada explicación
teórica los hechos relativos a la explicación de la imagen, es
sin embargo incompleta a l explicar algunos resultados
del
experimento en ciencia óptica. Los fenómenos de interferencia , difracción, pulverización y
aun dispersión cromatica rebasan completamente este objetivo.
Con una simple afirmación de interferencia podremos decir que es
posible, para dos fuentes de luz, producir obscuridad
a lo largo de ciertas trayectorias comenzandose esto con la
iluminación reforzada a lo largo de otras.
Optica Geométrica
La óptica geométrica se fundamenta en la teoría de los
rayos de luz, la cual considera que cualquier objeto
visible emite rayos rectos de luz en cada punto de él y en todas
direcciones a su alrededor. Cuando estos rayos inciden sobre
otros cuerpos pueden ser absorbidos, reflejados o desviados, pero si penetran
en el ojo estimularan el sentido de la vista.
