ÓPTICA

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Cielo en el oeste durante la puesta de sol en la hora azul . El color azul profundo del zenit es atribuible a la absorción de Chappuis.

La absorción de Chappuis se refiere a la absorción de la radiación electromagnética por el ozono , que es especialmente notable en la capa de ozono , que absorbe una pequeña parte de la luz solar en la parte visible del espectro electromagnético . Las bandas de absorción de Chappuis se producen en longitudes de onda entre 400 y 650  nm . Dentro de este rango hay dos máximos de absorción de altura similar a longitudes de onda de 575 y 603 nm. ^[1] [2] En comparación con la absorción de luz ultravioleta por la capa de ozono, conocida como la absorción de Hartley y Huggins, la absorción de Chappuis es claramente más débil. ^[3] Junto conLa dispersión de Rayleigh contribuye al color azul del cielo y se nota cuando la luz tiene que recorrer un largo camino a través de la atmósfera . Por esta razón, la absorción de Chappuis solo tiene un efecto significativo en el color del cielo al atardecer, durante la llamada hora azul . ^[4] Lleva el nombre del químico francés James Chappuis (1854–1934), quien descubrió este efecto.

Historia [ editar ]

James Chappuis fue el primer investigador (en 1880) en notar que la luz que pasa a través del gas ozono tiene un tinte azul. Él atribuyó este efecto a la absorción en las partes amarilla, naranja y roja del espectro de luz. ^[6] El químico francés Auguste Houzeau ya había demostrado en 1858 que la atmósfera contiene trazas de ozono, por lo que Chappuis supuso que el ozono podía explicar el color azul del cielo. Sin duda, era consciente de que esta no era la única explicación posible, ya que la luz azul que se puede ver desde la superficie de la Tierra está polarizada. La polarización no se puede explicar por la absorción de luz por el ozono, pero se puede explicar por la dispersión de Rayleigh, lo que ya era conocido por la época de Chappuis. Los científicos contemporáneos pensaron que la dispersión de Rayleigh era suficiente para explicar el cielo azul, por lo que finalmente se olvidó la idea de que el ozono podría desempeñar un papel. ^[5]

A principios de la década de 1950, Edward Hulburt estaba realizando una investigación en el cielo al atardecer, para verificar las predicciones teóricas sobre la temperatura y la densidad de la atmósfera superior sobre la base de la luz dispersada medida en la superficie de la Tierra. ^[7] La idea básica era que después de que el Sol pasa por debajo del horizonte, continúa iluminando las capas superiores de la atmósfera. Hulburt deseaba relacionar la intensidad de la luz que llega a la superficie de la Tierra a través de la dispersión de Rayleigh con la abundancia de partículas en cada altitud, a medida que la luz del sol pasa a través de la atmósfera a diferentes alturas durante el curso de la puesta del sol. En sus mediciones, realizado en 1952 en Sacramento Peak en Nuevo México., descubrió que la intensidad de la luz medida era menor en un factor de 2 a 4 que el valor predicho. Sus predicciones se basaron en su teoría y en las mediciones que se hicieron en la atmósfera superior unos pocos años antes por los vuelos con cohetes lanzados no lejos de Sacramento Peak. La magnitud de la desviación entre la predicción y las mediciones fotométricas realizadas en Sacramento Peak excluyó el mero error de medición. Hasta entonces, la teoría había predicho que el cielo en el cenit durante la puesta del sol debería aparecer de azul verdoso a gris, y el color debería cambiar a amarillo durante el atardecer. Esto estaba obviamente en conflicto con la observación diaria de que el color azul del cielo en el cenit al anochecer cambia solo imperceptiblemente. Como Hulburt sabía sobre la absorción por ozono, y como el rango espectral de absorción de Chappuis había sido medido con mayor precisión solo unos años antes por la pareja francesa Arlette y Étienne Vassy, ​​hizo un intento de explicar este efecto en sus cálculos. Esto hizo que las medidas estuvieran completamente de acuerdo con las predicciones teóricas. Los resultados de Hulburt fueron confirmados repetidamente en los años siguientes. De hecho, no todos los efectos de color al atardecer en cielo despejado pueden explicarse por las capas más profundas.Extinción por aerosoles en simulaciones teóricas. ^[8]

Independientemente de Hulburt, el meteorólogo francés Jean Dubois había propuesto unos años antes de que la absorción de Chappuis tuviera un efecto en otro fenómeno de color del cielo al atardecer. Dubois trabajó en la llamada " sombra de la Tierra " en su tesis doctoral en la década de 1940, y supuso que este efecto también podría atribuirse a la absorción de Chappuis. ^[5] Sin embargo, esta conjetura no es compatible con mediciones más recientes. ^[9]

Bases físicas [ editar ]

La absorción de Chappuis es una absorción continua en el rango de longitud de onda entre 400 y 650 nm. Es causada por la fotodisociación (separación) de la molécula de ozono. El máximo de absorción se encuentra alrededor de 603 nm, con una sección transversal de 5.23 10 ⁻²¹  cm ² . Un segundo máximo, algo más pequeño a ca. 575 nm tiene una sección de 4.83 10 ⁻²¹  cm ² . ^[2] La energía de absorbancia en las bandas de Chappuis se encuentra entre 1.8 y 3.1  eV. Los valores medidos implican que el mecanismo de absorción es poco dependiente de la temperatura; La desviación representa menos del tres por ciento. Alrededor de sus máximos, la absorción de Chappuis es aproximadamente tres órdenes de magnitud más débil que la absorción de la luz ultravioleta en el rango de las bandas de Hartley. ^[10] De hecho, la absorción de Chappuis es uno de los pocos procesos de absorción notables dentro del espectro visible en la atmósfera de la Tierra. ^[11]

Las capas de Chappuis superpuestas en el espectro de absorción a longitudes de onda más cortas son en parte irregulares y bandas difusas causadas por vibraciones moleculares . La irregularidad de estas bandas implica que la molécula de ozono es solo por un tiempo extremadamente corto en un estado excitado antes de disociarse. ^[10] Durante esta corta excitación, se realiza principalmente vibraciones de estiramiento simétricas, aunque con algunas contribuciones de vibraciones de flexión. ^[1] Una explicación teórica consistente de la estructura de vibración que está en línea con los datos experimentales fue durante mucho tiempo un problema sin resolver; Incluso hoy, no todos los detalles de la absorción de Chappuis pueden explicarse por la teoría. ^[10]

Al igual que cuando absorbe la luz ultravioleta, la molécula de ozono puede descomponerse en una molécula de O ₂ y un átomo de O durante la absorción de Chappuis. Sin embargo, a diferencia de las absorciones de Hartley y Huggins, los productos de descomposición no permanecen en un estado excitado. La disociación en las bandas de Chappuis es el proceso fotoquímico más importante que involucra el ozono en la atmósfera terrestre a una altitud de 30 km. Sobre esta altitud, se compensa con las absorciones en la banda de Hartley. Sin embargo, ni las absorciones de Hartley ni las de Chappuis causan una pérdida significativa de ozono en la estratosfera, a pesar de la alta tasa de fotodisociación potencial, debido a que el oxígeno elemental tiene una alta probabilidad de encontrar una molécula de O ₂ y volver a formar ozono.

 longitud de coherencia es la distancia de propagación a través de la cual una onda coherente (por ejemplo, una onda electromagnética ) mantiene un grado específico de coherencia . La interferencia de onda es fuerte cuando las rutas tomadas por todas las ondas interferentes difieren en una longitud menor que la coherencia. Una onda con una longitud de coherencia más larga está más cerca de una onda sinusoidal perfecta. La longitud de la coherencia es importante en holografía y en ingeniería de telecomunicaciones .

Este artículo se centra en la coherencia de los campos electromagnéticos clásicos . En mecánica cuántica , hay un concepto matemáticamente análogo de la longitud de coherencia cuántica de una función de onda .

Fórmulas [ editar ]

En sistemas de banda de radio, la longitud de coherencia es aproximada por

$${\ displaystyle L = {c \ over n \, \ Delta f} = {\ lambda ^ {2} \ over n \ Delta \ lambda},}

dónde $${\ displaystyle c} es la velocidad de la luz en el vacío, $${\ displaystyle n}es el índice de refracción del medio , y$${\ displaystyle \ Delta f}es el ancho de bandade la fuente o$${\ displaystyle \ lambda} es la señal de longitud de onda y $${\ displaystyle \ Delta \ lambda} es el ancho del rango de longitudes de onda en la señal.

En comunicaciones ópticas , suponiendo que la fuente tiene un espectro de emisión gaussiano, la longitud de coherencia$${\ displaystyle L}está dado por ^[1]

$${\ displaystyle L = {\ sqrt {2 \ ln 2 \ over \ pi}} {\ lambda ^ {2} \ over n \ Delta \ lambda},}

dónde $${\ displaystyle \ lambda}es la longitud de onda central de la fuente,$${\ displaystyle n}es el índice de refracción del medio , y$${\ displaystyle \ Delta \ lambda}es el ancho espectral (FWHM) de la fuente. Si la fuente tiene un espectro gaussiano con ancho espectral FWHM$${\ displaystyle \ Delta \ lambda}, entonces un camino de desplazamiento de ±$${\ displaystyle L}Reducirá la visibilidad de la franja al 50%.

La longitud de coherencia se aplica generalmente al régimen óptico.

La expresión anterior es una aproximación de uso frecuente. Sin embargo, debido a las ambigüedades en la definición del ancho espectral de una fuente, se ha sugerido la siguiente definición de longitud de coherencia:

La longitud de coherencia se puede medir utilizando un interferómetro de Michelson y es la diferencia de longitud del camino óptico de un rayo láser autointerferente que corresponde a una$${\ displaystyle 1 / e = 37 \%}visibilidad de franja, ^[2]donde la visibilidad de franja se define como

$${\ displaystyle V = {I _ {\ max} -I _ {\ min} \ sobre I _ {\ max} + I _ {\ min}}, \,}

dónde $${\ displaystyle I} Es la intensidad marginal.

En los sistemas de transmisión a larga distancia , la longitud de coherencia puede reducirse por factores de propagación como la dispersión , la dispersión y la difracción .

Láseres [ editar ]

Los láseres multimodo de helio-neón tienen una longitud de coherencia típica de 20 cm, mientras que la longitud de coherencia de los láseres monomodo puede superar los 100 m. Los láseres semiconductores alcanzan unos 100 m, pero los láseres semiconductores pequeños y baratos tienen longitudes más cortas, con una fuente ^{[3] de}20 cm. Los láseres de fibra monomodo con anchos de línea de unos pocos kHz pueden tener longitudes de coherencia superiores a 100 km. Se pueden alcanzar longitudes de coherencia similares con los peines de frecuencia óptica debido al ancho de línea estrecho de cada diente. La visibilidad no cero está presente solo para intervalos cortos de pulsos repetidos después de distancias de longitud de cavidad hasta esta longitud de coherencia larga.

Otras fuentes de luz [ editar ]

La longitud de coherencia de una lámpara de vapor de mercurio es de 0.03 cm.

 teoría de la coherencia es el estudio de los efectos ópticos que surgen de fuentes de luz y radio parcialmente coherentes . Las fuentes parcialmente coherentes son fuentes en las que el tiempo de coherencia o la longitud de la coherencia están limitados por el ancho de banda , por el ruido térmico o por otro efecto. Muchos aspectos de la teoría de la coherencia moderna se estudian en la óptica cuántica .

La teoría de la coherencia parcial se despertó en la década de 1930 debido al trabajo de Pieter Hendrik van Cittert y Frits Zernike .

Temas en la teoría de la coherencia [ editar ]

• Visibilidad
• Función de coherencia mutua.
• Grado de coherencia
• Función de auto coherencia
• Función de coherencia
• Fluctuaciones de baja frecuencia
• Ley general de interferencia
• Teorema de Van Cittert – Zernike
• Interferómetro estelar de Michelson
• Interferometría de correlación
• Efecto Hanbury – Marrón y Twiss
• Microscopio de contraste de fase
• Luz seudotérmica
• Relación dualidad Englert-Greenberger
• Colapso colapso