tiempo de coherencia es el tiempo durante el cual una onda de propagación (especialmente un rayo láser o maser ) puede considerarse coherente . En otras palabras, es el intervalo de tiempo dentro del cual su fase es, en promedio, predecible.
En los sistemas de transmisión a larga distancia , el tiempo de coherencia puede reducirse por factores de propagación , como la dispersión , la dispersión y la difracción .
El tiempo de coherencia, τ , se calcula dividiendo la longitud de la coherencia por la velocidad de fase de la luz en un medio; aproximadamente dado por
donde λ es la longitud de onda central de la fuente, Δν y Δλ es el ancho espectral de la fuente en unidades de frecuencia y longitud de onda respectivamente, y c es la velocidad de la luz en el vacío.
Un láser de fibra de modo único tiene un ancho de línea de unos pocos kHz. El límite de Schawlow-Townes para algunos láseres de cw puede ser inferior a 1 Hz. Los masers de hidrógeno tienen un ancho de línea de alrededor de 1 Hz; [1] su longitud de coherencia corresponde aproximadamente a la distancia de la Tierra a la Luna.
A partir de 2009 , los espines de un solo electrón muestran los tiempos de desfase más elevados de los espines a temperatura ambiente jamás observados en los sistemas de estado sólido (1,8 ms).
Un haz de luz colimado u otra radiación electromagnética tiene rayosparalelos , y por lo tanto se propagará de manera mínima a medida que se propaga. Un haz de luz perfectamente colimado , sin divergencias , no se dispersaría con la distancia. Tal haz no puede ser creado, debido a la difracción . [1]
La luz puede ser colimada aproximadamente por varios procesos, por ejemplo, por medio de un colimador . La luz perfectamente colimada a veces se dice que está enfocada en el infinito . Así, a medida que aumenta la distancia desde una fuente puntual, los frentes de ondaesféricos se vuelven más planos y más cercanos a las ondas planas , que están perfectamente colimadas.
Otras formas de radiación electromagnética también pueden ser colimadas. La colimación de los rayos X es importante en radiología . La reducción del tamaño del haz por colimación reduce el volumen del tejido del paciente que se irradia y reduce la intensidad en la periferia del haz. Las radiografías periféricas pueden ser absorbidas por los tejidos del paciente y pueden generar fotones dispersos, que viajan en muchas direcciones y causan niebla de película, reduciendo la calidad de la imagen de las radiografías.
Etimología [ editar ]
La palabra "colimar" proviene del verbo latín collimare , que se originó en una mala lectura de colineal , "para dirigir en línea recta". [2]
Fuentes [ editar ]
Láseres [ editar ]
La luz láser de los láseres de gas o de cristal está altamente colimada porque se forma en una cavidad ópticaentre dos espejos paralelos que restringen la luz a una trayectoria perpendicular a las superficies de los espejos. [3] En la práctica, los láseres de gas pueden usar espejos cóncavos, espejos planos o una combinación de ambos. [4] [5] [6] La divergencia de los rayos láser de alta calidad suele ser inferior a 1 miliradian , y puede ser mucho menor para haces de gran diámetro. Los diodos láser emiten luz menos colimada debido a su corta cavidad y, por lo tanto, una colimación más alta requiere una lente de colimación.
Luz de sincrotrón [ editar ]
La luz de sincrotrón está muy bien colimada. [7] Se produce al doblar electrones relativistas (es decir, aquellos que se mueven a velocidades relativistas ) alrededor de una pista circular. Cuando los electrones están a velocidades relativistas, la radiación resultante está altamente colimada, un resultado que no ocurre a velocidades más bajas. [8]
Fuentes distantes [ editar ]
La luz de las estrellas (aparte del Sol ) llega a la Tierra precisamente colimada, porque las estrellas están tan lejos que no presentan un tamaño angular detectable. Sin embargo, debido a la refracción y la turbulencia en la atmósfera de la Tierra, la luz de las estrellas llega al suelo con un diámetro angular aparente de alrededor de 0,4 segundos de arco . Los rayos directos de luz del Sol llegan a la Tierra sin colmo en medio grado, siendo este el diámetro angular del Sol visto desde la Tierra. Durante un eclipse solar , la luz del Sol se vuelve cada vez más colimada a medida que la superficie visible se contrae en una media luna delgada y, en última instancia, en un punto pequeño , produciendo los fenómenos de sombras distintasbandas de sombra .
Lentes y espejos [ editar ]
Un espejo parabólico perfecto traerá rayos paralelos a un foco en un solo punto. A la inversa, una fuente puntual en el foco de un espejo parabólico producirá un haz de luz colimada que crea un colimador . Dado que la fuente debe ser pequeña, este sistema óptico no puede producir mucha potencia óptica. Los espejos esféricos son más fáciles de hacer que los parabólicos y, a menudo, se utilizan para producir luz aproximadamente colimada. Muchos tipos de lentes también pueden producir luz colimada a partir de fuentes puntuales.
Sistema de visualización en simuladores de vuelo que utiliza luz colimada [ editar ]
Este principio se utiliza en simuladores de vuelo completo (FFS), que cuentan con sistemas especialmente diseñados para mostrar imágenes de la escena Fuera de la ventana (OTW) a los pilotos en la cabina de la réplica de aviones.
En aviones donde dos pilotos están sentados uno al lado del otro, si las imágenes de OTW se proyectaran frente a los pilotos en una pantalla, un piloto vería la vista correcta pero el otro vería una vista donde algunos objetos en la escena serían incorrectos anglos.
Para evitar esto, las ópticas colimadas se utilizan en el sistema de visualización visual del simulador para que ambos pilotos vean la escena OTW en un enfoque distante en lugar de a la distancia focal de una pantalla de proyección. Esto se logra a través de un sistema óptico que permite que las imágenes sean vistas por los pilotos en un espejo que tiene una curvatura vertical, la curvatura que permite ver la imagen en un enfoque distante por parte de ambos pilotos, quienes luego ven esencialmente la misma escena OTW. Sin distorsiones. Dado que la luz que llega al punto del ojo de ambos pilotos es desde diferentes ángulos al campo de visión de los pilotos debido a los diferentes sistemas de proyección dispuestos en un semicírculo sobre los pilotos, el sistema de pantalla completo no puede considerarse una pantalla colimada, pero Un sistema de visualización que utiliza luz colimada.
Colimación y decollimation [ editar ]
"Colimación" se refiere a todos los elementos ópticos en un instrumento que están en su eje óptico diseñado . También se refiere al proceso de ajuste de un instrumento óptico para que todos sus elementos se encuentren en el eje diseñado (en línea y en paralelo). Con respecto a un telescopio, el término se refiere al hecho de que el eje óptico de cada componente óptico debe estar centrado y paralelo, de modo que la luz colimada emerja del ocular. La mayoría de los telescopios con reflector aficionado necesitan ser re-colimados cada pocos años para mantener un rendimiento óptimo. Esto se puede hacer mediante métodos visuales simples, como mirar hacia abajo el conjunto óptico sin un ocular para asegurarse de que los componentes estén alineados, utilizando un ocular de Cheshire o con la ayuda de un colimador láser simple oautocollimator . La colimación también se puede probar con un interferómetro de cizallamiento , que a menudo se usa para probar la colimación con láser.
"Descolimación" es cualquier mecanismo o proceso que hace que un haz con la mínima divergencia de rayosposible divida o converja del paralelismo. La descolimación puede ser deliberada por razones de sistemas, o puede ser causada por muchos factores, tales como inhomogeneidades de índice de refracción , oclusiones, dispersión , deflexión , difracción , reflexión y refracción . Decollimation debe tenerse en cuenta para tratar plenamente muchos sistemas tales como la radio , el radar , el sonar , y ópticas de comunicaciones .
El método de transmisión colimada es una forma directa de medir las propiedades ópticas de los materiales. Es especialmente útil para detectar las propiedades ópticas de los tejidos para guiar el desarrollo de las técnicas diagnósticas y terapéuticas. Estas propiedades ópticas se describen por el coeficiente de absorción μ a , el coeficiente de dispersión μ s y el factor de anisotropía g.
En el método de transmisión colimada, un rayo láser se dirige perpendicularmente al material y la detección de luz reemitida proporciona información sobre el efecto interactivo total de las propiedades ópticas del material. [1]El uso de múltiples longitudes de onda puede producir un espectro con información más detallada sobre la composición del tejido o material (espectroscopia). Si bien este método es simple y solo requiere una instrumentación mínima, produce errores relacionados con múltiples eventos de dispersión y reflexión especular. [2] Algunas ecuaciones útiles que gobiernan las propiedades incluyen:
μ a = coeficiente de absorción = N a 𝜎 a ; μ s = coeficiente de dispersión = N s 𝜎 s ; g = anisotropía de dispersión = ; μt = coeficiente de extinción = μ a + μ s
Donde N a es el número de absorbentes en un medio, 𝜎 a es la sección transversal de absorción, N s es el número de dispersores en un medio, 𝜎 s es la sección transversal de dispersión y 𝛳 es el ángulo de dispersión.
Historia [ editar ]
El método de transmisión colimada se ha utilizado para medir las propiedades ópticas de los tejidos biológicos desde principios de los años ochenta. Una fuente de luz colimada fue generada por un láser o con una fuente difusa y un colimador. Se detectó una transmisión de luz no dispersada a través del tejido y se utilizó la ley de Beer para estimar el coeficiente de extinción μ t . Esto se hizo para tejidos humanos, porcinos, de roedores, de bovinos y de pollos y se comparó con modelos teóricos para predecir propiedades ópticas confiables. [3] Elconocimiento de estas propiedades fue crucial para los estudios de dosimetría.
Además, este método se ha aplicado para medir las propiedades ópticas de los medios turbios para mejorar la simulación de los fantasmas de tejidos. [5]
A fines de la década de 1980, varios estudios también probaron las propiedades ópticas de los tejidos biológicos en diferentes longitudes de onda para producir espectros. [6] [7] [8]
Teoría [ editar ]
La configuración general para la transmisión colimada es la siguiente:
2) La luz transmitida es filtrada por dos agujeros
Se debe medir un medio claro, cuyo índice de refracción coincida estrechamente con el de la muestra a analizar, para proporcionar una señal de luz balística de referencia I o . Este paso de calibración se incluye para tener en cuenta cualquier intensidad de luz que se pierda en las interfaces de la cubeta u otro soporte de muestra. La pérdida de intensidad puede ocurrir debido a la reflexión en la interfaz y / o la absorción por parte de la cubeta.
Una vez que se adquiere una señal de referencia, se compara con la luz transmitida Is de la muestra medida. Para calcular el coeficiente de extinción asociado μ t , la ley de Beer se puede aplicar de la siguiente manera: I s= I o exp (-μ t d), donde d es el espesor de la muestra. El coeficiente de extinción es por lo tanto: μ t = -ln (I s / I o ) / d.
Aplicaciones [ editar ]
Espectrofotometría : medición cuantitativa de la transmitancia basada en la longitud de onda. Es importante en una serie de campos biomédicos que van desde la medición de un soluto en una muestra hasta la determinación de la cinética de la enzima para un determinado par de enzimas - sustrato . La espectrofotometría requiere múltiples longitudes de onda para una amplia variedad de muestras. Por lo tanto, una lámpara de arco se utiliza para generar múltiples longitudes de onda para colimar espejos y redes de difracción para generar luz colimada en anchos de banda estrechos.
La oximetría de pulso es una técnica clínica no invasiva que utiliza la transmisión de luz colimada para medir la saturación de oxígeno . Se pasan dos longitudes de onda a través de un pedazo delgado de tejido ( lóbulo de la oreja o punta del dedo) y un fotodetector en el otro lado detecta la transmisión en cada longitud de onda. Debido al cambio de la absorbancia en longitudes de onda variables, es posible derivar las absorbancias debidas a la sangre arterial y excluir las absorbancias debidas a la sangre venosa, la piel, etc.
Esta tecnología se utiliza para la determinación específica de ciertas propiedades ópticas, como los coeficientes de absorción y los coeficientes de dispersión. Se pueden analizar medios homogéneos e inhomogéneos para aprender estos parámetros. Además de la pureza de la muestra, este método puede analizar una variedad de tipos de materiales. Utilizando este método se pueden analizar la agarosa , el agar , el agua, el poliestireno , el TiO 2 y una variedad de otros materiales. Aparte de la configuración experimental, se requiere una tecnología limitada para recopilar y analizar los datos.
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