Optica: Interferencia de haces multiples

INTERFERENCIA DE HACES MULTIPLES

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La interferencia de haces multiples se da cuando un número muy grande de ondas mutuamente coherentes se hacen interferir.

El método más común de producir este número de ondas mutuamente coherentes es por división de amplitud. Esta división ocurre por reflexión múltiple entre dos superficies paralelas parcialmente reflectantes.

El primer rayo es parcialmente reflejado y parcialmente transmitido en la primer superficie. La parte transmitida es subsecuentemente reflejada hacia atras y hacia adelante entre las dos superficies.

Comenzemos el análisis matemático calculando la diferencia de camino óptico que se puede obtener de la figura (1) donde:

$\sin \theta _{0}={\frac {BA'}{C'B}}={\frac {BA'}{CP}}={\frac {BA'}{2d\tan \theta }}$

En donde se puede ver geometricamente que la diferencia entre dos rayos sucesivos transmitidos es $2d\cos \theta$, donde d es la separación entre las dos superficies reflectantes y $\theta$ es el angulo entre cualquier rayo interno reflejado y la superficie normal.

$BA'=2d\tan \theta \sin \theta _{0}$

lo cual se pude demostrar que es igual a:

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): \Delta\Lambda=\frac{2d}{\cos\theta}nt-2d\tan\theta\sin\theta_{0}ni

factorizando

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): =\frac{2d}{\cos\theta}nt\left[1-\sin\theta\sin\theta_{0}\frac{ni}{nt}\right]

obtenemos la relación de Snell

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): =\frac{2d}{\cos\theta}nt\left[1-\sin^{2}\theta\right]

de donde se obtiene:

$\Delta \Lambda =2dnt\cos \theta$

que es la diferencia de fase correspondiente entre dos rayos sucesivos

$\delta ={\frac {2\pi }{\lambda _{0}}}\Delta \Lambda ={\frac {4\pi }{\lambda _{0}}}ntd\cos \theta$

donde Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): \lambda es la longitud de onda en el medio y nt es el indice de refracción de el medio entre las superficies reflectantes.

AMPLITUD TOTAL REFLEJADA

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Ahora definamos las variables.

r es el coeficiente de reflexión de las amplitudes desde el interior del interferometro.

t es el coeficiente de transmisión de las amplitudes para un rayo que viene del exterior.

t' es el coeficiente de transmisión para las amplitudes para un rayo que sale de la cavidad del interferometro.

d es la diferencia de fase entre dos reflexiones consecutivas.

Tomando la diferencia de fase anterior y sumando las amplitudes de los rayos transmitidos tenemos entonces

$E_{1r}=E_{0}re^{i\omega t}$

$E_{2r}=E_{0}tt'r'e^{i\left(\omega t-\delta \right)}$

$E_{3r}=E_{0}tt'r'^{3}e^{i\left(\omega t-2\delta \right)}$

$E_{Nr}=E_{0}tt'r'^{(2N-3)}e^{i\left(\omega t-\left(N-1\right)\delta \right)}$

donde Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): E_{0}e^{i\omega t} es la onda incidente.

Los términos Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): \delta,2\delta,...,(N-1)\delta son las contribuciones a la fase procedentes de una diferencia de longitud de camino óptico entre rayos adyacentes.

$E_{rT}=\sum E_{ir}=E_{0}re^{i\omega t}+\sum _{j=2}^{N}E_{0}tr'^{(2j-3)}t'e^{i\left(\omega t-\left(j-1\right)\delta \right)}$

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): =E_{0}e^{i\omega t}\left[r+\left\{ \sum_{j=2}^{N}\left(r'^{2}e^{i\delta}\right)^{j-2}\right\} r'tt'e^{-i\delta}\right]

Si $[r'^{2}e^{i\delta }]<1$, y si el número de términos en la serie se aproxima al infinito, la serie converge. La onda resultante se transforma en:

$E_{r}=E_{0}e^{i\omega t}\left[r+{\frac {r'tt'e^{-i\delta }}{1-r'^{2}e^{-i\delta }}}\right]$

En el caso de absorción cero, cuando no se extrae energía de las ondaas, se puede utilizar las relaciones $tt'=1-r^{2},yr=-r'$para volver a escribir la ecuación como

$E_{r}=E_{0}e^{i\omega t}\left[{\frac {r\left(1-e^{-i\delta }\right)}{1-r^{2}e^{-i\delta }}}\right]$

La irradiancia se obtiene tomando el cuadrado complejo de esta amplitud quedando

$I_{R}=E_{r}E_{r}^{*}=E_{0}^{2}\left[{\frac {r\left(1-e^{i\delta }\right)}{1-r^{2}e^{i\delta }}}\right]\left[{\frac {r\left(1-e^{i\delta }\right)}{1-r^{2}e^{i\delta }}}\right]$

Que puede transformarse en

$I_{r}=E_{0}^{2}{\frac {2r^{2}\left(1-\cos \theta \right)}{\left(1+r^{4}\right)-2r^{2}\cos \delta }}$

AMPLITUD TOTAL TRANSMITIDA

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De forma parecida, las amplitudes de las ondas transmitidas proporcionadas por

$E_{1t}=E_{0}tt'e^{i\omega t}$

$E_{2t}=E_{0}tt'r'^{2}e^{i\left(\omega t-\delta \right)}$

$E_{3t}=E_{0}tt'r'^{4}e^{i\left(\omega t-2\delta \right)}$

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): E_{Nr}=E_{0}tt'r'^{2\left(N-1\right)}e^{i\left(\omega t-\left(N-1\right)\delta\right)}

$E_{tT}=E_{0}e^{i\omega t}\left[tt'\sum _{j=1}^{N}r'^{(j-1)}e^{-i\left(j-1\right)\delta }\right]$

Pueden sumarse para dar como resultado

$E_{t}=E_{0}e^{i\omega t}{\frac {tt'}{1-r^{2}e^{-i\delta }}}$

Multiplicando también por su complejo conjugado

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): I_{t}=I_{i}\left(tt'\right)^{2}\frac{1}{1-r^{2}e^{-i\delta}}\frac{1}{1-r^{2}e^{i\delta}}

se obtiene la irradiancia del haz transmitido

$I_{t}=I_{i}\left(tt'\right)^{2}{\frac {1}{\left(1+r^{4}\right)-2r^{2}\cos \delta }}$

o bien

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): I_{t}=I_{i}\frac{\left(1-r^{2}\right)^{2}}{\left(1+r^{4}\right)-2r^{2}\cos\delta}

Notemos que para dieléctricos

$I_{r}+I_{t}={\frac {\left(1-r^{2}\right)^{2}+2r^{2}\left(1-\cos \delta \right)}{\left(1+r^{4}\right)-2r^{2}\cos \delta }}I_{i}$

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): =\frac{1+r^{4}-2r^{2}-2r^{2}\cos\delta+2r^{2}}{\left(1+r^{4}\right)-2r^{2}\cos\delta}I_{i}=I_{i}

si no se absorbe nada de la energía incidente, la densidad de flujo de la onda incidente será exactamente igual a la suma de la densidad de flujo reflejada por la película más la densidad de flujo total transmitida al salir de la película, es decir

$I_{i}=I_{i}=I_{r}+I_{t}$

si $\delta =2\pi m$ Exixtirá un máximo

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): I_{tmax}=I_{i}\frac{\left(1-r^{2}\right)^{2}}{1+r^{4}-2r^{2}}=I_{i}

$I_{rmin}=0$ (por conservación de energía)

ahora si $\delta =\left(2m+1\right)\pi$ se producirá un minimo en la densidad del flujo transmitido

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): I_{tmin}=I_{i}\frac{\left(1-r^{2}\right)^{2}}{(1+r^{2})^{2}}

El máximo correspondiente en la densidad de flujo reflejado es

$I_{rmax}=I_{i}{\frac {4r^{2}}{(1+r^{2})^{2}}}$

Si escribimos

${\frac {I_{t}}{I_{i}}}={\frac {(1-r^{2})^{2}}{1+r^{4}-2r^{2}\left(\cos ^{2}{\frac {\delta }{2}}-\sin ^{2}{\frac {\delta }{2}}\right)}}$

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): \frac{(1-r^{2})^{2}}{1+r^{4}-2r^{2}\left(1-2\sin^{2}\frac{\delta}{2}\right)}

${\frac {\left(1-r^{2}\right)^{2}}{\left(1-r^{2}\right)^{2}+4r^{2}\sin ^{2}{\frac {\delta }{2}}}}$

${\frac {1}{1+\left[{\frac {2r}{1-r^{2}}}\sin {\frac {\delta }{2}}\right]^{2}}}$

que es llamado coeficiente de fineza

$\digamma =\left({\frac {2r}{1-r^{2}}}\right)^{2}={\frac {4R}{(1-R)^{2}}}$

con lo cual estas ecuaciones se podran escribir como

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): \frac{I_{r}}{I_{t}}=\frac{\digamma\sin^{2}\frac{\delta}{2}}{1+\digamma\sin^{2}\frac{\delta}{2}}

y

${\frac {I_{t}}{I_{i}}}={\frac {1}{1+\digamma \sin ^{2}{\frac {\delta }{2}}}}\equiv A\left(\delta \right)$

En donde el término Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): \frac{1}{1+\digamma\sin^{2}\frac{\delta}{2}}\equiv A\left(\delta\right) se denomina función de Airy y representa la distribución de la densidad de flujo transmitida

INTERFEROMETRO DE FABRY-PEROT

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Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/»:): tt'=T=1-R-A

$\delta ={\frac {4\pi }{\lambda }}n_{t}d\cos \theta +2\delta _{r}$

${\frac {I_{t}}{I_{i}}}={\frac {T^{2}}{1+R^{2}-2R\cos \delta }}$

${\frac {I_{t}}{I_{i}}}={\frac {T^{2}}{(1-R^{2})}}A(\delta )$

${\frac {I_{t}}{I_{i}}}={\frac {\left(1-R-A\right)^{2}}{\left(1-R\right)^{2}}}A\left(\delta \right)$

$=\left(1-{\frac {A}{1-R}}\right)^{2}A\left(\delta \right)$

$I_{i}\left(1-{\frac {A}{1-R}}\right)^{2}\equiv I_{tmax}$

${\frac {I_{t}}{i_{tmax}}}=A\left(\theta \right)={\frac {1}{1+\digamma \sin ^{2}{\frac {\delta }{2}}}}$

$\delta _{max}=2\pi m$

$\gamma =2{\frac {\delta _{i}}{2}}$

${\frac {1}{2}}={\frac {1}{1+\digamma \sin \left({\frac {{\frac {\delta }{2}}+\delta _{max}}{2}}\right)}}$

$\sin \left({\frac {\delta _{\frac {1}{2}}}{2}}+m\pi \right)=\pm sin\left({\frac {\delta _{\frac {1}{2}}}{2}}\right)$

$\sin ^{2}\left({\frac {\delta _{\frac {1}{2}}}{2}}+m\pi \right)=\sin ^{2}\left({\frac {\delta _{\frac {1}{2}}}{2}}\right)$

$\sin ^{2}\left({\frac {\delta _{\frac {1}{2}}}{2}}\right)={\frac {1}{\digamma }}$

$\delta _{\frac {1}{2}}=2\arcsin \left({\sqrt {\frac {1}{\digamma }}}\right)$

$\gamma =4\arcsin \left({\frac {1}{\sqrt {\digamma }}}\right)$

${\frac {\delta _{\frac {1}{2}}}{2}}={\frac {1}{\sqrt {\digamma }}}$

$\gamma \approxeq \left({\frac {4}{\sqrt {\digamma }}}\right)$

$\Upsilon \equiv {\frac {2\pi }{\gamma }}={\frac {\pi }{2}}{\sqrt {\digamma }}$