En electromagnetismo, un campo evanescente , u onda evanescente , es un campo eléctrico y / o magnético oscilante que no se propaga como una onda electromagnética, pero cuya energía se concentra espacialmente en la vecindad de la fuente (cargas y corrientes oscilantes). Incluso cuando se produce una onda electromagnética de propagación (por ejemplo, mediante una antenatransmisora ), todavía se puede identificar como un campo evanescente la componente del campo eléctrico o magnético que no se puede atribuir a la onda de propagación observada a una distancia de muchas longitudes de onda ( como el campo lejano de una antena transmisora).
Un sello distintivo de un campo evanescente es que no hay flujo de energía neta en esa región. Dado que el flujo neto de energía electromagnética viene dado por el vector de Poynting promedio , esto significa que el vector de Poynting en estas regiones, promediado a lo largo de un ciclo de oscilación completo, es cero.
En muchos casos, no se puede decir simplemente que un campo es o no es evanescente. Por ejemplo, en la ilustración anterior, la energía se transmite en la dirección horizontal. La intensidad de campo cae exponencialmente lejos de la superficie, dejándola concentrada en una región muy cercana a la interfaz, por lo que esto se conoce como una onda de superficie . Sin embargo, hay no propagación de la energía de distanciadesde (o hacia) la superficie (en el z dirección), de modo que se podría describir correctamente el campo como "evanescente en el zdirección ". Esta es una ilustración de la inexactitud del término. En la mayoría de los casos en los que existen, los campos evanescentes se piensan y se denominan simplemente campos eléctricos o magnéticos, sin la propiedad evanescente (vector Poynting promedio cero en una o todas las direcciones ) nunca se ha señalado. El término se aplica especialmente para diferenciar un campo o solución de los casos en los que normalmente se espera una onda de propagación.
Todos los días los dispositivos electrónicos y los aparatos eléctricos están rodeados de grandes campos, que tienen esta propiedad. Su operación involucra voltajes alternos (produciendo un campo eléctrico entre ellos) y corrientes alternas (produciendo un campo magnético a su alrededor). El término "evanescente" nunca se escucha en este contexto ordinario. Más bien, puede haber preocupación por la producción inadvertida de una onda electromagnética de propagación y, por lo tanto, la discusión sobre la reducción de las pérdidas de radiación (ya que la onda de propagación roba la energía de los circuitos) o la interferencia. Por otro lado, "campo evanescente" se utiliza en diversos contextos donde no esuna onda electromagnética propagadora (incluso si está limitada) involucrada, para describir los componentes electromagnéticos que la acompañan y que no tienen esa propiedad. O en algunos casos donde normalmente habría una onda electromagnética (como la luz refractada en la interfaz entre el vidrio y el aire), se invoca el término para describir el campo cuando esa onda se suprime (como con la luz en el vidrio que incide en una interfaz aérea). más allá del ángulo crítico ).
Aunque todos los campos electromagnéticos se gobiernan de manera clásica de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell , diferentes tecnologías o problemas tienen ciertos tipos de soluciones esperadas, y cuando las soluciones primarias involucran la propagación de la onda, el término "evanescente" se aplica con frecuencia a los componentes del campo o soluciones que no comparten esa propiedad. . Por ejemplo, la constante de propagación de una guía de onda de metal hueco es una función fuerte de la frecuencia (la llamada relación de dispersión ). Por debajo de una determinada frecuencia (la frecuencia de corte ), la constante de propagación se convierte en un número imaginario. Una solución a la ecuación de onda que tiene un número de onda imaginario nose propaga como una onda pero cae exponencialmente, por lo que el campo excitado a esa frecuencia más baja se considera evanescente. También se puede decir simplemente que la propagación está "prohibida" para esa frecuencia. La solución formal de la ecuación de onda puede describir modos que tienen una forma idéntica, pero el cambio de la constante de propagación de real a imaginario a medida que la frecuencia cae por debajo de la frecuencia de corte cambia totalmente la naturaleza física del resultado. La solución puede describirse como un "modo de corte" o un "modo evanescente"; [1] [2] : 360mientras que un autor diferente solo dirá que no existe tal modo. Dado que el campo evanescente correspondiente al modo se calculó como una solución a la ecuación de onda, a menudo se discute como una "onda evanescente" aunque sus propiedades (como no transportar energía) son inconsistentes con la definición de onda .
Aunque este artículo se concentra en el electromagnetismo, el término evanescente se usa de manera similar en campos como la acústica y la mecánica cuántica, donde la ecuación de onda surge de la física involucrada. En estos casos, las soluciones a la ecuación de onda que dan como resultado constantes de propagación imaginarias también se denominan "evanescentes" y tienen la propiedad esencial de que no se transmite energía neta, incluso aunque haya un campo distinto de cero.
Aplicaciones de onda evanescente [ editar ]
En óptica y acústica , las ondas evanescentes se forman cuando las ondas que viajan en un medio experimentan una reflexión interna total en su límite porque la golpean en un ángulo mayor que el llamado ángulo crítico . [3] [4]La explicación física de la existencia de la onda evanescente es que los campos eléctrico y magnético (o gradientes de presión , en el caso de las ondas acústicas) no pueden ser discontinuos en un límite, como sería el caso si hubiera No hay campo de onda evanescente. En la mecánica cuántica , la explicación física es exactamente análoga: la función de onda de Schrödinger. Representar el movimiento de partículas normal al límite no puede ser discontinuo en el límite.
Las ondas evanescentes electromagnéticas se han utilizado para ejercer presión de radiación óptica sobre partículas pequeñas para atraparlas para la experimentación, o para enfriarlas a temperaturas muy bajas, e iluminar objetos muy pequeños como células biológicas o proteínas individuales y moléculas de ADN para microscopía (como en el microscopio de fluorescencia de reflexión interna total ). La onda evanescente de una fibra óptica se puede utilizar en un sensor de gas, y las ondas evanescentes figuran en la técnica de espectroscopia infrarroja conocida como reflectancia total atenuada .
En ingeniería eléctrica , las ondas evanescentes se encuentran en la región de campo cercano dentro de un tercio de la longitud de onda de cualquier antena de radio. Durante el funcionamiento normal, una antena emite campos electromagnéticos en la región circundante del campo cercano, y una parte de la energía del campo se reabsorbe, mientras que el resto se irradia como ondas EM.
Recientemente, se ha fabricado una rejilla de Bragg basada en grafeno ( cristal fotónico unidimensional ) y se ha demostrado su competencia para la excitación de ondas electromagnéticas de superficie en la estructura periódica utilizando una técnica de acoplamiento de prisma . [5]
En la mecánica cuántica , las soluciones de ondas evanescentes de la ecuación de Schrödinger dan lugar al fenómeno de la tunelización de ondas mecánicas .
En la microscopía , los sistemas que capturan la información contenida en las ondas evanescentes se pueden utilizar para crear imágenes de súper resolución . La materia irradia ondas electromagnéticas tanto propagantes como evanescentes. Los sistemas ópticos convencionales capturan solo la información en las ondas de propagación y, por lo tanto, están sujetos al límite de difracción . Los sistemas que capturan la información contenida en las ondas evanescentes, como los micros y la microscopía óptica de exploración de campo cercano, pueden superar el límite de difracción; sin embargo, estos sistemas están limitados por la capacidad del sistema para capturar con precisión las ondas evanescentes. [6] La limitación de su resolución está dada por
dónde es el vector de onda máximo que se puede resolver, es la distancia entre el objeto y el sensor, y Es una medida de la calidad del sensor.
De manera más general, las aplicaciones prácticas de las ondas evanescentes se pueden clasificar como (1) aquellas en las que la energía asociada con la onda se utiliza para provocar algún otro fenómeno en la región del espacio donde la onda viajera original se vuelve evanescente (por ejemplo, como en microscopio de fluorescencia de reflexión interna total ) o (2) aquellos en los que la onda evanescente acopla dos medios en los que se permiten las ondas viajeras, y por lo tanto permite la transferencia de energía o una partícula entre los medios (según la ecuación de onda en uso), incluso aunque no se permiten soluciones de ondas viajeras en la región del espacio entre los dos medios. Un ejemplo de esto es lo que se denomina tunelización de ondas mecánicas , y generalmente se conoce como acoplamiento de ondas evanescentes .
Reflejo interno total de la luz [ editar ]
Por ejemplo, considere la reflexión interna total en dos dimensiones, con la interfaz entre los medios en el eje x, la normal a lo largo de y, y la polarización a lo largo de z. Se podría esperar que para los ángulos que conducen a la reflexión interna total, la solución consistiría en una onda incidente y una onda reflejada, sin ninguna onda transmitida, pero no existe una solución que obedezca a las ecuaciones de Maxwell . Las ecuaciones de Maxwell en un medio dieléctrico imponen una condición límite de continuidad para los componentes de los campos E || , H || , D y , y B y. Para la polarización considerada en este ejemplo, las condiciones en E || y B yestán satisfechos si la onda reflejada tiene la misma amplitud que la incidente, porque estas componentes de las ondas incidentes y reflejadas se superponen destructivamente. Sus H x componentes, sin embargo, se superponen de forma constructiva, por lo que no puede haber solución sin una onda transmitida que no desaparece. Sin embargo, la onda transmitida no puede ser una onda sinusoidal, ya que luego transportaría la energía fuera del límite, pero dado que las ondas incidente y reflejada tienen la misma energía, esto violaría la conservación de la energía.. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que la onda transmitida debe ser una solución no desaparecedora de las ecuaciones de Maxwell que no es una onda viajera, y las únicas soluciones de este tipo en un dieléctrico son aquellas que decaen exponencialmente: ondas evanescentes.
Matemáticamente, las ondas evanescentes se pueden caracterizar por un vector de onda donde una o más de las componentes del vector tienen un valor imaginario . Debido a que el vector tiene componentes imaginarios, puede tener una magnitud menor que sus componentes reales. Si el ángulo de incidencia excede el ángulo crítico, entonces el vector de onda de la onda transmitida tiene la forma
que representa una onda evanescente porque el componente y es imaginario. (Aquí α y β son reales ei representa la unidad imaginaria ).
Por ejemplo, si la polarización es perpendicular al plano de incidencia, entonces el campo eléctrico de cualquiera de las ondas (incidente, reflejado o transmitido) se puede expresar como
Sustituyendo la forma evanescente del vector de onda k (como se indica anteriormente), encontramos la onda transmitida:
-Onda evanescente de acoplamiento [ editar ]
Especialmente en óptica , el acoplamiento de ondas evanescentes serefiere al acoplamiento entre dos ondas debido a la superposición física de lo que de otro modo se describiría como los campos evanescentes correspondientes a las ondas de propagación. [7]
Un ejemplo clásico es la reflexión interna total frustrada en la que el campo evanescente está muy cerca (ver gráfico) de la superficie de un medio denso en el que una onda normalmente sufre una reflexión interna total que se superpone a otro medio denso en la vecindad. Esto interrumpe la totalidad de la reflexión, desviando algo de poder al segundo medio.
El acoplamiento entre dos guías de ondas ópticas puede efectuarse colocando los núcleos de fibra muy juntos, de modo que el campo evanescente generado por un elemento excite una onda en la otra fibra. Esto se utiliza para producir divisores de fibra óptica y en la extracción de fibra . En las frecuencias de radio (e incluso ópticas), este dispositivo se denomina acoplador direccional. El dispositivo se suele llamar divisor de potencia en el caso de la transmisión y modulación de microondas. El acoplamiento de ondas evanescentes es sinónimo de campo cercano.La interacción en la teoría del campo electromagnético. Dependiendo de la naturaleza del elemento fuente, el campo evanescente involucrado es predominantemente eléctrico (capacitivo) o magnético (inductivo), a diferencia de las ondas (propagantes) en el campo lejano donde estos componentes están conectados (fase idéntica, en la relación de la impedancia). de espacio libre ). El acoplamiento de ondas evanescentes tiene lugar en el campo no radiativo cerca de cada medio y, como tal, siempre está asociado con la materia; es decir, con las corrientes y cargas inducidas dentro de una superficie parcialmente reflectante. En mecánica cuántica, la interacción de la función de onda puede discutirse en términos de partículas y describirse como tunelización cuántica .
Aplicaciones [ editar ]
El acoplamiento de ondas evanescentes se usa comúnmente en dispositivos fotónicos y nanofotónicos como sensores o acopladores de guía de ondas (véase, por ejemplo, acoplador de prisma ).
El acoplamiento de ondas evanescentes se utiliza para excitar, por ejemplo, los resonadores de microesferas dieléctricas .
El acoplamiento evanescente, como interacción de campo cercano, es una de las preocupaciones en la compatibilidad electromagnética .
El acoplamiento de ondas evanescentes desempeña un papel importante en la explicación teórica de la transmisión óptica extraordinaria . [8]
El acoplamiento de ondas evanescentes se utiliza para alimentar dispositivos de forma inalámbrica. [9] [10] [11]
Un microscopio de fluorescencia de reflexión interna total utiliza la onda evanescente producida por la reflexión interna total para excitar fluoróforos cerca de una superficie. Esto es útil cuando es necesario estudiar las propiedades superficiales de las muestras biológicas.
pupila de salida es una apertura virtual en un sistema óptico. Solo los rayos que pasan por esta apertura virtual pueden salir del sistema. La pupila de salida es la imagen de la parada de apertura en las ópticas que la siguen. En un telescopio o microscopio compuesto , esta imagen es la imagen de los elementos objetivos producidos por el ocular . El tamaño y la forma de este disco es crucial para el rendimiento del instrumento, ya que el ojo del observador puede ver la luz sólo si se pasa a través de esta pequeña abertura. El término salida alumno.También se utiliza a veces para referirse al diámetro de la apertura virtual. Literatura más antigua en la óptica veces se refiere a la pupila de salida como el disco Ramsden , el nombre de Inglés fabricante de instrumentos Jesse Ramsden .
Instrumentos visuales [ editar ]
Diámetro medio de la pupila del ojo humano frente a la edad | ||
|---|---|---|
| Edad (años) | Dia (mm) | Noche (mm) |
| 20 | 4.7 | 8 |
| 30 | 4.3 | 7 |
| 40 | 3.9 | 6 |
| 50 | 3.5 | 5 |
| 60 | 3.1 | 4.1 |
| 70 | 2.7 | 3.2 |
| 80 | 2.3 | 2.5 |
Para utilizar un instrumento óptico, la pupila de entrada del ojodel espectador debe estar alineada y ser de tamaño similar a la pupila de salida del instrumento. Esto acopla correctamente el sistema óptico al ojo y evita el viñeteado . (La pupila de entrada del ojo es la imagen de la pupila anatómica como se ve a través de la córnea ). La ubicación de la pupila de salida determina el alivio del ojo.de un ocular. Los buenos diseños de oculares producen una salida de la pupila de diámetro que se aproxima al diámetro aparente de la pupila y se encuentra a unos 20 mm de la última superficie del ocular para la comodidad del espectador. Si el disco es más grande que la pupila del ojo, la luz se perderá en lugar de entrar en el ojo; Si es más pequeño, la vista será viñeteada. Si el disco está demasiado cerca de la última superficie del ocular, el ojo deberá estar incómodamente cerca para poder verlo; si está demasiado lejos, el observador tendrá dificultades para mantener la alineación del ojo con el disco.
Dado que la pupila del ojo varía en diámetro con las condiciones de visión, el diámetro ideal de la pupila de salida depende de la aplicación. [1] Un telescopio astronómico requiere una pupila grande porque está diseñado para ser usado para observar objetos tenues en la noche, mientras que un microscopio requerirá una pupila mucho más pequeña ya que el objeto estará iluminado de manera brillante. Un juego de binoculares de 7 × 50 tiene una pupila de salida de más de 7,1 mm, que corresponde al tamaño promedio de la pupila de un ojo humano juvenil adaptado a la oscuridad en circunstancias sin luz extraña. La luz emergente en el ocular luego llena la pupila del ojo, lo que significa que no hay pérdida de brillo en la noche debido al uso de tales binoculares (suponiendo una transmisión perfecta).). A la luz del día, cuando la pupila del ojo tiene solo 4 mm de diámetro, más de la mitad de la luz será bloqueada por el iris y no alcanzará la retina . Sin embargo, la pérdida de luz durante el día generalmente no es significativa, ya que hay mucha luz para empezar. Por el contrario, los binoculares 8 × 32, a menudo vendidos con énfasis en su compacidad, tienen una pupila de salida de solo 4 mm. Eso es suficiente para llenar una pupila ocular diurna típica, lo que hace que estos binoculares se adapten mejor al uso diurno que a la noche. El tamaño máximo de la pupila de un ojo humano suele ser de 5–9 mm para personas menores de 25 años, y disminuye lentamente con la edad, como se muestra como una guía aproximada en la siguiente tabla. [2] [3] [2] [3] [4] [5]
La distancia óptima de alivio del ojo también varía con la aplicación. Por ejemplo, el alcance de un rifle necesita un alivio ocular muy largo para evitar que el retroceso provoque que golpee al observador. [1]
La pupila de salida se puede visualizar al enfocar el instrumento en un campo brillante e indescriptible y al sostener una tarjeta blanca en el ocular. Esto proyecta un disco de luz sobre la tarjeta. Al mover la tarjeta más cerca o más lejos del ocular, el disco de luz se minimizará cuando la tarjeta esté en la pupila de salida, y el disco brillante luego mostrará el diámetro de la pupila. También se puede utilizar un frasco claro de líquido lechoso para visualizar los rayos de luz, que aparecen como una forma de reloj de arena convergente y divergente a medida que salen del ocular, con la sección transversal más pequeña (la cintura de la forma del reloj de arena) representando la pupila de salida.
Telescopios [ editar ]
Para un telescopio, el diámetro de la pupila de salida se puede calcular dividiendo la distancia focal del ocular por la relación focal (número f) del telescopio. En todos los telescopios, a excepción de los más baratos, los oculares son intercambiables, y por esta razón, el aumento no está escrito en el visor, ya que cambiará con diferentes oculares. En su lugar, el número f f = L / D del telescopio generalmente se escribe en el alcance, así como el diámetro objetivo D y la distancia focal L. Los oculares individuales también tienen sus distancias focales escritas en ellos.
Sin embargo, en el caso de los binoculares, los dos oculares suelen estar unidos permanentemente, y la ampliación y el diámetro objetivo (en mm) se escriben normalmente en los binoculares en la forma, por ejemplo, 7 × 50. En ese caso, la pupila de salida se puede calcular fácilmente como el diámetro de la lente del objetivo dividido por la ampliación . Las dos fórmulas son, por supuesto, equivalentes y es simplemente una cuestión de qué información se comienza con qué fórmula utilizar.
Fotografía [ editar ]
La distancia de la pupila de salida desde el plano del sensor determina el rango de ángulos de incidencia que la luz formará con el sensor. Los sensores de imagen digital a menudo tienen un rango limitado de ángulos sobre los cuales aceptarán la luz de manera eficiente, especialmente aquellos que usan microlentes para aumentar su sensibilidad. [6] Cuanto más cerca esté la pupila de salida del plano focal, más altos serán los ángulos de incidencia en los bordes extremos del campo. Esto puede llevar a viñeteado de píxeles . Por esta razón, muchas cámaras digitales pequeñas (como las que se encuentran en los teléfonos celulares) son telecéntricas de espacio de imagen .
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