La luz y su carrera en los medios

La luz está presente desde siempre en nuestra historia. Sea religioso, con por ejemplo la biblia que evoca su origen divino o sea en la Egipcia Antigua bajo un aspecto mitológico. Los primeros en explicar la luz de manera rigurosa y científica son filósofos y científicos griegos. Es con Euclides (-300 antes de Cristo) que los conocimientos dan un salto importante gracias a sus descubrimientos sobre las propiedades del ángulo y del índice de refracción, que son hoy en día utilizada aún en el mundo de la óptica.

¿Qué es un índice de refracción en el mundo de la óptica y cuál es su papel ?

¿Ya os han dicho que la luz era el elemento más rápido del mundo ? Pues, cuando se desplaza en un medio, ralentiza. Un poco como cuando vais en bici con un viento opuesto. Se trata en este momento de índice de refracción para describir la tendencia de un medio de ralentizar mucho o no la luz. Este es llamado indice del medio n. 

Todos los medios no se valen. Un diamante es diferente del agua, del aire o incluso del vacío. La luz no va entonces a desplazarse en ellos de la misma manera. Su velocidad es diferente. 

Ilustración del desplazamiento de un rayo luminoso en tres medios diferentes.

La velocidad de la luz en el vacío lleva un nombre, es la celeridad. Lo que quiere decir que en el vacío la luz recorre 300 000km en 1 segundo.Esto significa dar 7,5 veces la vuelta a la Tierra en un segundo.

Con el fin de calcular el índice n de un medio, se utiliza esta formula:

n, el índice del medio en el cual la luz se desplaza (ejemplo un diamante)

c, la celeridad ; velocidad de la luz en el vacío

v, la velocidad de la luz en el medio (en el famoso diamante)

El índice del medio influencia dos otros parámetros que la velocidad o la celeridad. Se trata de la longitud de onda, λ (lambda). La longitud de onda puede ser ilustrada por la zancada de un corredor dominguero. Es la distancia recorrida por este para que uno de sus pies (por ejemplo el izquierdo) vuelva a tocar el suelo después de un contacto.

El segundo parámetro es el periodo. Volvamos al corredor, el periodo corresponde esta vez al tiempo que haría falta al pie izquierdo para volver a tocar el suelo después de un contacto.

Ilustración esquematizando lo que es una longitud de onda y un periodo

La formula un poco bárbara para ilustrar todo esto es : 

n, el índice del medio en el cual la luz se desplaza (ejemplo un diamante)

c, la celeridad; velocidad de la luz en el vacío

λ, la longitud de onda (distancia recorrida para el pie izquierdo antes de volver a tocar el suelo)

T, periodo (tiempo recorrido para el pie izquierdo antes de volver a tocar el suelo)

Para resumir, la velocidad de la luz varia en función del medio y la longitud de onda varia en función del medio.

Ilustración del desplazamiento del corredor sobre tres pistas diferentes

Estas historias de longitud de onda y de índice van a permitir comprender como la luz actúa en la interfaz de dos medios. 

Por ejemplo, ¿por qué cuando miramos en el agua, vemos un pez que no está exactamente en el lugar donde nos aparece? Es por culpa de un fenómeno que se llama la refracción.

Ilustración de la refracción. A la izquierda una fotografía de la refracción sobre un pez en un acuario (Fuente : https://pxhere.com/en/photo/573761). A la derecha un esquema de la ilusión óptica causada por la refracción con un pescador (Fuente : http://munnscience.weebly.com/refraction-lab.html)

Cuando la luz se topa con un nuevo medio (aquí arriba, el agua), esta va a ver su trayectoria modificada : se dice que se refracta. Descartes ha ilustrado este increíble descubrimiento por lo que se llama hoy en día la 2^nda ley de Descartes. Permite calcular la desviación de la luz y así conocer la posición real del objeto que observamos en función del medio donde se encuentra.

Este principio de refracción se utiliza en varias tecnologías como la fibra óptica (lo que permite tener una conexión Internet fenomenal). Imaginemos una pista de bolos con las barreras para los niños. Si el niño lanza la bola y se topa con la barrera, va a rebotar y toparse con la barrera de enfrente y así sucesivamente hasta el final de la pista. Es exactamente el mismo modo de propagación de la luz en la fibra óptica.

Ilustración del desplazamiento de la bola de bolos imitando el haz de la fibra óptica

En este caso preciso, la composición del tubo de la fibra es tal que el índice del corazón es más fuerte que el índice del recubrimiento que lo rodea. Así, la luz entra con un cierto ángulo y rebota en la interfaz entre el corazón y el recubrimiento. Los rebotes se reproducen así hasta la otra punta de la fibra.

La señal luminosa teniendo una velocidad importante, permite transmitir una cantidad consecuente de informaciones más rápido.

La luz que se manda en la fibra óptica no se elige al azar. Se selecciona unas luces de longitud de onda específicas porque estas se atenúan menos que las otras en largas distancias. De hecho, la longitud de onda permite distinguir y categorizar algunas luces de otras.

La multitud de las longitudes de ondas estilo Pink Floyd

Algunas longitudes de ondas pertenecen a lo que se llama el espectro de lo visible. Se asocia a la noción del color. Otras longitudes de ondas invisibles a simple vista presentan unas particularidades. Entre las más conocidas, se encuentran las UV (para ultravioleta) entre 100nm y 380nm. Esos famosos UV de los cuales hay que protegerse para limitar el riesgo de cáncer de la piel. También están utilizados para poner de realce unas materias poco visibles a simple vista, como las lámparas de luz negra que las fuerzas de la policía científica utilizan en medicina legal, para revelar algunos fluidos biológicos (véase el articulo « Siempre dejamos una huella »).

Después del espectro del visible, se encuentra la gama de los infrarrojos (longitud de ondas entre 780nm y 1400nm). Los infrarrojos están muy a menudo utilizados en los láseres como en las cajas de las tiendas. Se utiliza también los infrarrojos para cambiar de cadena con un mando o en una habitación, que encienden la luz automáticamente cuando uno entra.

Ilustración de los rangos de longitudes de onda y de la posición del rango del visible.

Para los « ancianos », o las personas que conocen las cosas buenas, esto depende del punto de vista, la fotografía del album Dark Side of the Moon de los Pink Floyd ilustra perfectamente el impacto que tiene el indice del medio en la luz. Se ve un haz de luz blanca azotando duramente un prisma (una pirámide de vidrio) : el rayo se desvía, es la refracción. Pero también va a empezar a ser separado en diferentes longitudes de ondas. Porque recordémoslo, según Descartes, el medio y el tipo de longitud de onda induce que el haz no se desvía de la misma manera. Cuando sale del prisma, se encuentran entonces todos los colores del arco iris separados (longitud de onda del visible).

Ilustración de la caja del álbum Dark Side of the Moon de los Pink Floyd

El estudio del índice del medio en óptica tiene toda su importancia en las tecnologías del porvenir, pero también en las herramientas cotidianos. Cuando lleváis gafas de sol, por ejemplo, es preferible usar gafas con lentes polarizantes que absorban mejor la luz, y protegen mejor vuestros ojos. El índice de refracción permite también describir las materiales dichos birrefringentes (con dos indices diferentes). Cuando se someten algunos materiales bajo fuerte presión, pueden volverse birrefringentes. La presión a partir de la cual se hacen birrefringentes permite caracterizar los materiales (se trata entonces de foto-elasticidad de la materia). Existe materiales llamados cristales fotónicos que tienen un índice de refracción inferior a 1. Lo que deroga totalmente a la regla del índice de refracción siempre superior a 1. Son objeto de investigaciones en varias áreas como las guías de baja pérdida, o sea un equivalente de las fibras ópticas con aun menos perdidas de informaciones: los filtros ópticos ; los captores químicos y bioquímicos ; o incluso en las fuentes de luz súper continuum. 

El índice de refracción es un elemento esencial que permite describir la evolución de la luz en un medio. Permite también saber qué material tendrá qué tipo de impacto sobre la luz, aunque  las investigaciones se persiguen en lo que concierne los medios cuyo índice es más pequeño que 1 y hacen ultra refracción. Somos capaces de determinar en los materiales corrientes el comportamiento de la onda luminosa. Pero ¿ podremos encontrar una materia que permitirá a la luz desplazarse en su seno con una velocidad más rápida que 300 00km.? O sea un medio que permitirá a la luz acelerar y propagarse más rápido que lo que se conoce? Tal vez... un día.

Fuentes:

1.Ashkin, A. History of optical trapping and manipulation of small-neutral particle, atoms, and molecules. IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 6, 841–856 (2000).

2.Jiménez-Solano, A., Galisteo-López, J. F. & Míguez, H. Absorption and Emission of Light in Optoelectronic Nanomaterials: The Role of the Local Optical Environment. J. Phys. Chem. Lett. 9, 2077–2084 (2018).

3.Novo, C., Funston, A. M., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L. M. & Mulvaney, P. Influence of the Medium Refractive Index on the Optical Properties of Single Gold Triangular Prisms on a Substrate. J. Phys. Chem. C 112, 3–7 (2008).

4.Vohnsen, B. A Short History of Optics. Physica Scripta 2004, 75 (2006).

5.Spectre visible. Wikipédia (2020).

6.optics | History, Applications, & Facts. Encyclopedia Britannica https://www.britannica.com/science/optics.

7.Optique géométrique et expérimentale. Bases géométriques et graphiques, instruments objectifs et subjectifs, systèmes asymétriques ; Cours et exercices corrigés - Xavier Eudeline.

8.   WAVELENGTH | signification, définition dans le dictionnaire Anglais de Cambridge. https://dictionary.cambridge.org/fr/dictionnaire/anglais/wavelength.