Oficios Técnicos

www.sapiensman.com/tecnoficio


Información para el estudiante y el trabajador de oficios técnicos. 

 

 


Búsqueda personalizada

  sapiensman.com/ESDictionary

  sapiensman.com/electrotecnia


Optics: What is light ?

First, we can safely and correctly state that light is energy. We know that light is electromagnetic energy and that, in terms of wavelength, it represents just a very small part of a broad electromagnetic spectrum. It will be helpful to pursue our understanding of the term wavelength a bit further at this point. In one general and very useful definition, light is that portion of the electromagnetic spectrum that the human visual system is capable of detecting. That is to say, it is the electromagnetic energy that we can see. Under normal daytime conditions, the human visual system has a maximum sensitivity to light with a wavelength of 0.56 micrometers (µm). Let us convert this number (0.56 µm ) to a more meaningful and comprehensible form. A meter represents a length of about 40 in, or a little more than one yard. A millimeter is l/l000th of a meter, the thickness of about 10 pages in a book. A micrometer (µm) is l/l000th of a millimeter and the peak wavelength for visible light is about half of that. Therefore, one wavelength of visible light is approximately equal to 1/200th the thickness of a single page in a book.

As the wavelength of the energy collected by the eye increases or decreases, the color of that light as perceived by the eye will change.

At the peak wavelength of 0.56 µm, the light is seen as yellow. When the wavelength decreases to about 0.50 µm the light appears green, while at 0.48 µm the color we see is blue. Moving in the other direction from the peak wavelength, at a wavelength of 0.60 µm, the light appears to be orange, and then, as the wavelength reaches 0.65 µm, we see the light as red. This is what we refer to as the visible spectrum, ranging from violet (0.45 µm) to red (0.70 µm), with a peak sensitivity to the color yellow, at a wavelength of 0.56 µm. The visible spectrum and its relationship to the electromagnetic spectrum are shown in next figures that illustrate the relative sensitivity of the eye as a function of wavelength or color.

 


 


Óptica: ¿qué es la luz?

Inicialmente, podemos decir en forma segura y correcta que la luz es energía. Sabemos que la luz es energía electromagnética y que, en términos de longitud de onda, la misma representa sólo una pequeña porción de un amplio espectro electromagnético. Será útil  seguir nuestra investigación del término longitud de onda un poco mas en este punto. En una definición general y muy útil, la luz es la porción del espectro electromagnético que el sistema visual humano es capaz de detectar. Es decir, es la energía electromagnética que podemos ver. Bajo condiciones normales de día, el sistema visual humano tiene una máxima sensibilidad a la luz con una longitud de onda de 0,56 micrómetros (µm). Hagamos la conversión de éste número (0,56 µm ) a una forma mas significativa y comprensible. Un metro representa una longitud de aproximadamente 40 pulgadas, o un poco mas de una yarda. Un milímetro es la 1/1000 parte de un metro, el espesor de aproximadamente 10 páginas de un libro. Un micrómetro (µm) es la 1/1000 parte  de un milímetro y la longitud de onda pico para la luz visible es aproximadamente la mitad de aquella. Por lo tanto, una longitud de onda de luz visible es aproximadamente igual es 1/200 parte del espesor de una sola página de un libro.

A medida que la longitud de de onda de la energía recolectada por el ojo humano se incrementa o disminuye, el color de dicha luz según es percibida por el ojo cambiará.

A la longitud de onda pico de 0,56 µm, la luz es vista como amarilla. Cuando la longitud de onda disminuye a aproximadamente 0,50 µm, la luz aparece verde, mientras que a 0,48 µm el color que vemos es azul. Moviéndose en la otra dirección del pico de longitud de onda, a una longitud de onda de 0,60  µm, la luz aparece como anaranjada, a medida que la longitud de onda alcanza los 0,65 µm, vemos la luz como roja. Esto es a lo que nos referimos como el espectro visible, extendiéndose desde el violeta (0,45 µm) al rojo (0,70 µm), con un pico de sensibilidad hacia el color amarillo, a una longitud de onda de 0,56 µm. El espectro visible y su relación con el espectro electromagnético son mostrados en las siguientes figuras que ilustran la sensibilidad relativa del ojo en función de la longitud de onda o color.

Fig. 1 -Wavelenghts of the electromagnetic, optical, and visible spectra. - Longitudes de onda del espectro electromagnético, óptico y visible.

Fig. 2 - Spectral sensitivity of the human visual system - Sensibilidad espectral del sistema visual humano.

 

Velocity, Wavelength, and Frequency

This wavelength concept may not be fully understood without some additional considerations. The topics of velocity and frequency, and their relationship to wavelength, must be introduced and discussed at this point. During the historical review of optics it was noted that, after many years of experimentation and several false starts, the velocity at which light travels in a vacuum was very accurately determined to be 299,793 km/s. For purposes of these discussions a rounded-off value of 300,000 km/s (3 X 108 m/s) will be used to represent the speed of light in air. The enormity of this speed is best visualized when we understand that, traveling at this speed, we would be able to travel around the world seven and one half times in a single second.

Another example that will be helpful in illustrating the speed involved deals with recent experiments conducted to measure the distance from the earth to the surface of the moon. After the astronauts had placed a mirror assembly on the surface of the moon, it was possible to project a pulse of laser energy from here on earth, to that mirror and to detect its reflection when it had returned to its point of origin.

Knowing the time involved for the round-trip, and the speed at which light travels, one could then calculate the distance from the source to the mirrors, i.e., earth to moon. Quite incredibly, the time required for the light to travel from the earth to the moon and return was only 2.5 seconds; that is fast!

In order to establish a relationship between the wavelength and the velocity of light that can be more easily understood and applied to our understanding of optics, the hypothetical example illustrated in next figure will be helpful. Consider a typical light source, such as the heated filament in an incandescent lamp. In order to further develop a sense for how light behaves; imagine this source to be pulsating, emitting light in a continuous wave within which the energy level is constantly and rapidly increasing to a maximum and then decreasing to a minimum. We have established that the light travels away from the filament at a speed of about 300,000 km/s. If a hypothetical energy-level detector were placed as shown, at a fixed distance from the source, it would register those maximum and minimum energy values as the wave impinged on the detector. By definition, the wavelength of this energy is the distance that the wave travels in the time that it takes the detector to record two consecutive maximum readings.

A heated filament is known to emit energy over a broad spectrum which includes the visible spectrum and part of the infrared band. To simplify our example, assume that a green filter is placed between the source and the detector as is shown in the figure. Knowing the wavelength of the transmitted light to be 0,5 µm (5 X 10-7 m/cycle), and the speed at which this light is traveling (3 X 108 m/s), we can compute the frequency at which the detector will register maximum readings using the following formula:

 

Velocidad, longitud de onda y frecuencia.

El concepto de longitud de onda puede no ser completamente comprendido sin consideraciones adicionales. Los tópicos de velocidad y frecuencia, y su relación con la longitud de onda, deben ser introducidos y discutidos en este punto. Durante la revisión histórica de la óptica, se hizo notar que, luego de muchos años de experimentación y varios arranques fallidos, la velocidad a la cual viaja la luz en el vacío fue determinada  con precisión en un valor de 299.793 km/s. Para propósitos de estas discusiones un valor redondeado de 300.000 km/s (3 X 108 m/s) será usado para representar la velocidad en la luz en el aire. La enormidad en esta velocidad es mejor visualizada cuando comprendemos que, viajando a esta velocidad, podríamos viajar alrededor del mundo siete veces y media en un solo segundo.

Conociendo el tiempo involucrado para el viaje periférico, y la velocidad a la cual la luz viaja, uno podría entonces calcular la distancia desde la fuente hasta los espejos, o sea, tierra a luna. Increíblemente, el tiempo requerido para que la luz viaje de la tierra a la luna y retorne es de 2,5 segundos, ¡eso si que es rápido!

De manera de establecer una relación entre la longitud de onda y la velocidad de la luz que pueda ser mas fácilmente comprendida y aplicada a nuestro entendimiento de la óptica, el ejemplo hipotético es ilustrado en la figura siguiente. Considérese una fuente de luz típica, tal como un filamento caliente en una lámpara incandescente, emitiendo luz en una onda continua dentro de la cual el nivel de energía es constante y rápidamente incrementado a un máximo y luego disminuido a un mínimo. Hemos establecido que la luz se aleja del filamento a una velocidad de aproximadamente 300.000 km/s. Si un hipotético detector de nivel de energía fuera colocado como se muestra, a una distancia fija de la fuente, el mismo registraría aquellos valores máximos y mínimos de energía como una onda colisionando sobre el detector. Por definición, la longitud de onda de esta energía es la distancia que la onda viaja en el tiempo que toma al detector registrar dos lecturas máximas consecutivas.

Un filamento caliente se sabe que emite energía en un amplio espectro que incluye el espectro visible y parte de la banda infrarroja. Para simplificar nuestro ejemplo, asumamos que un filtro verde es colocado entre la fuente y el detector como se muestra en la figura. Sabiendo que la longitud de onda de la luz transmitida sea de 0,5 µm (5 X 10-7 m/ciclo), y la velocidad a la cual la luz esta viajando ( 3 X 108 m/s), podemos obtener la frecuencia a la cual el detector registrará las lecturas máximas usando la siguiente fórmula:

frecuencia = velocidad / longitud de onda

 

In keeping with our goal, which is to develop sense for what light is and how it behaves, we now realize that when we see a green light source, the energy from that source is approaching our eyes at a velocity of 3 X 108 m/s, and its energy level is pulsating at a frequency of 6 X 1014 times each second.

As was noted earlier, this discussion has neglected the difference in velocity of light in air as compared with that in a vacuum. The fact is that light in air is slowed by about 0.03 percent, which is indeed negligible for these purposes. A second significant point along these same lines is that measurements have proved the velocity of electromagnetic energy in a vacuum is constant, regardless of its wavelength. In air, the change in velocity with wavelength is so small as to be negligible for our purposes. Therefore, all colors that we see travel at the same speed. It follows, then, that because frequency is inversely proportional to the wavelength, the frequency for each color must be different. In the case of the visual spectrum, that frequency ranges from 7.5 X 1014 for blue light to 6.0 X.1014 for green light to 4.5 X 1014 Hz for red.

 

 

Manteniéndonos en nuestro objetivo, el cual es el de tomar sentido de qué es la luz y cómo se comporta, ahora nos damos cuenta de que cuando vemos una fuente de luz verde, la energía de dicha fuente se aproxima a nuestros ojos a una velocidad de 3 X 108 m/s, y su nivel de energía está pulsando a una frecuencia de 6 X 1014 veces cada segundo.

Como se hizo notar anteriormente, esta discusión ha desechado la diferencia en la velocidad de la luz en el aire comparada con la misma en el vacío. El hecho es que la luz en el aire es ralentizada en aproximadamente 0,03 por ciento, lo que es en verdad descartable para estos propósitos. Un segundo punto significativo a lo largo de estas mismas líneas es que las medidas han probado que la velocidad de la energía electromagnética en el vacío es constante, sin interesar su longitud de onda. En el aire, el cambio de velocidad con la longitud de onda es tan pequeño que es descartable para nuestros propósitos. Por lo tanto, todos los colores que vemos viajan a la misma velocidad. Se concluye entonces, de que dado que la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, la frecuencia para cada color debe ser diferente. En el caso del espectro visible, las frecuencias se extienden desde 7,5 X 1014 para la luz azul a 6,0 X 1014 para la luz verde, a 4,5 X 1014 Hz para el rojo.

 

 

Fig. 3- A hypothetical test procedure that will permit one to determine the frecuency of an emitted wave of energy, knowing the speed at which it travels and its wavelength. - Un procedimiento hipotético de ensayo que permitirá a uno determinar la frecuencia de una onda de energía emitida.

Another example, taken from today's technology, will be helpful in establishing our sense for what light is and how it behaves. A common electro-optical instrument of recent years is the laser range finder (LRF). The LRF contains a very pure light source in the form of a laser, a set of projection optics including a shutter, a set of receiving optics, a detector, and a precise timing mechanism. The LRF functions by generating a pulse of laser energy, which is projected to a target where it is reflected back toward the LRF, collected and imaged by the receiving optics onto the detector. The precision timer measures the time required for the pulse to travel to the target and return. With knowledge of the velocity at which light travels, it is then a simple matter to compute the distance to the target. One common LRF configuration utilizes a laser with a wavelength of 1.06 µm and projected pulse duration of 20 ns. From this information we can generate a realistic description of that pulse including its physical size and characteristics.

To generate the pulse the LRF shutter must be opened and then closed in a precise manner, with a total elapsed open time of 20 X 10 -9 s. We know that light travels at a velocity of 3 X 108 m/s. next figure illustrates the system being discussed. When the shutter has been open for the required 20 X 10-9 s, the leading edge of the pulse will have traveled 20 X 10-9 s * 3 X 108 m/s = 6 m. The shutter will then close, and the result would be a 6 m long pulse of laser energy, traveling toward the target at a speed of 3 X 108 m/s.

We can determine one other significant characteristic of this pulse of laser energy. We have said that the energy emitted from a laser has a wavelength of 1.06 pm, or 1.06 X 10-6 m. It follows then that the 6-m long pulse would contain:

 

 

 

Otro ejemplo, tomado de la tecnología actual, será útil en ayudar a nuestra comprensión de qué es la luz y cómo se comporta. Un instrumento electroóptico de años recientes es el buscador de rango laser (laser range finder - LRF). El LRF contiene una fuente de luz muy pura en la forma de un laser, un juego de ópticas de proyección incluyendo un obturador, un juego de ópticas de recepción, un detector, y un mecanismo de temporizado preciso. El LRF funciona generando un pulso energía laser, que es proyectado hacia un objetivo donde el mismo es reflejado nuevamente hacia el LRF, recolectado y proyectado por la óptica de recepción sobre el detector. El temporizador de precisión mide el tiempo requerido para que el pulso viaje hacia el objetivo y retorne. Con el conocimiento de la velocidad a la cual viaja la luz, es entonces un simple paso calcular la distancia al objetivo. Una configuración común del LRF utiliza un laser con una longitud de onda de 1,06 µm y una duración de pulso proyectado de 20 ns. A partir de esta información podemos generar una descripción realista del pulso incluyendo el tamaño y características.

Para generar el pulso el obturador del LRF debe ser abierto y luego cerrado de una manera precisa, con un tiempo de apertura total transcurrido de 20 X 10 -9 s. Sabemos que la luz viaja a una velocidad de 3 X 108 m/s, la figura siguiente ilustra el sistema tratado. Cuando el obturador ha sido abierto durante los 20 X 10-9 segundos, el inicio del pulso habrá viajado 20 X 10-9 s * 3 X 108 m/s = 6 m . El obturador entonces se cierra, y el resultado será un largo pulso de energía laser de 6 metros de largo, viajando hacia el objetivo a una velocidad de 3 X 108 m/s.

Podemos determinar otra característica significativa de éste pulso de energía laser. Hemos dicho que la energía emitida desde un laser tiene una longitud de onda de 1.06 µm, o 1,06 X 10-6 m. Se deduce entonces que el pulso de 6m de longitud contiene :

Fig. 4- A laser range finder generates a short pulse of energy which is used to determine the distance to a target. Shown above es a schematic representation of that pulse.  Un buscador de rango laser genera un pulso corto de energía que es usado para determinar la distancia a un objetivo. Se muestra arriba una representación esquemática de dicho pulso.

where λ = wavelength.

Returning to last figure, we can now visualize and describe the 20-ns pulse from the LRF as a beam of energy, with a wavelength of 1.06 µm, and a total length of 6 m. That pulse contains 5.66 X 106 cycles (wavelengths) of this laser energy, and the entire pulse is traveling through space at a velocity of 3 X 108 m/s.

Exercises such as this are most valuable in the sense that they serve to convert abstract concepts into real-world situations that we can more easily visualize and understand. With that understanding the optical engineer can obviously better generate designs implementing these concepts.

 

O sea: 5,66 X 106 λ/pulso

Donde λ = longitud de onda

Retornando a la última figura, podemos ahora visualizar y describir el pulso de 20-ns del LRF como un haz de energía, con una longitud de onda de 1,06 µm, y una longitud total de 6 metros. Ese pulso contiene 5,66 X 106 ciclos (longitudes de onda) de esta energía laser, y el pulso completo viaja a través del espacio a una velocidad de of 3 X 108 m/s.

Ejercicios como este son los mas valiosos en el sentido de que sirven para convertir conceptos abstractos en situaciones del mundo real que pueden ser mas fácilmente visibles y comprendidas. Con ese conocimiento el ingeniero óptico puede obviamente generar diseños implementando esos conceptos.

 

 

 

 
 

Volver arriba