La comprensión de la óptica geométrica y física nos permite estudiar los fenómenos que resultan de los aspectos tanto de partículas como de ondas de la luz.
Propiedades de la luz
La luz viaja a través del espacio como ondas electromagnéticas. y como partículas. Como resultado de esto dualidad partícula-onda, cuando los físicos están trabajando con la óptica (el estudio de la luz), deben pensar en la propagación de la luz de una de dos maneras, dependiendo de la aplicación.
Al pensar en características de la luz como la interferencia, la polarización o el color, describir la luz como frentes de onda transversales es el camino a seguir. Pero al construir un telescopio o lente correctiva y determinar cómo la luz se reflejará, refractará y transmitir, la mejor opción es pensar en la luz como un haz de partículas que se mueven en línea recta llamado rayos.
Óptica ondulatoria y teoría ondulatoria de la luz
El estudio de la óptica física utiliza la naturaleza ondulatoria de la luz para comprender fenómenos como los patrones de interferencia causados por las ondas de luz que pasan a través de las rejillas de difracción y la espectroscopia. La óptica física despegó como campo en el siglo XIX después de varios descubrimientos clave, incluida la existencia de luz fuera del espectro visible por Sir Frederick William Herschel.
En óptica física, la luz se representa como un frente de onda transversal, como el sinusoidal o "Curva en S" que también describe una onda que viaja a través del agua con crestas y valles (alta y puntos bajos). Con este modelo, las ondas de luz siguen las mismas reglas que otras ondas transversales: sus frecuencias y longitudes de onda son inversamente proporcional debido a la ecuación de velocidad de onda, y los frentes de onda interfieren entre sí donde intersecarse.
Por ejemplo, dos crestas (puntos altos) o dos valles (puntos bajos) que se superponen interfieren constructivamente, haciendo que la cresta general sea más alta o la vaguada general más baja, respectivamente. Donde los frentes de onda se encuentran fuera de fase, una cresta y una depresión juntos, interfieren destructivamente, ya sea total o parcialmente cancelando entre sí.
Pensar en la luz como una onda también es clave para comprender las diferencias entre los tipos de luz en el campo electromagnético. espectro, como la diferencia entre radio, visible y rayos X, ya que esos tipos se clasifican por su onda propiedades. Esto también significa que tratar la luz como una onda es importante en la óptica física del color, ya que es un subconjunto de la porción visible del espectro.
Óptica geométrica y trazado de rayos
En óptica geométrica, los físicos utilizan la naturaleza de partículas de la luz para representar su trayectoria en líneas rectas conocidas como rayos. La óptica geométrica se ha utilizado durante mucho más tiempo que la óptica física, ya que la gente había aprendido a diseñar dispositivos que doblar y enfocar la luz para propósitos tales como hacer telescopios y lentes correctivos mucho antes de que entendieran qué luz estaba. Para 1600, el pulido de lentes con el propósito de ayudar a la visión humana era algo común.
Los rayos de luz se dibujan como líneas rectas que emanan de una fuente de luz e indican la dirección en la que viaja la luz. Se utiliza un diagrama de rayos para mostrar las trayectorias de varios rayos de luz representativos a medida que reflejan, refractan y transmiten a través de diferentes materiales con el fin de determinar medidas tales como la distancia focal y el tamaño y la orientación de la resultante imagen.
Al rastrear las trayectorias de los rayos de luz, los físicos pueden comprender mejor los sistemas ópticos, incluida la formación de imágenes en lentes delgadas y espejos planos, fibras ópticas y otros instrumentos ópticos. Dada su larga historia como campo, la óptica geométrica ha llevado a varias leyes bien conocidas sobre cómo la luz rebota y se dobla, quizás lo más famoso es la ley de refracción (ley de Snell) y la ley de la reflexión.