Transparencia

En el campo de la óptica, la transparencia (también llamada pelucidez o diafanidad) es la propiedad física de permitir que la luz atraviese el material sin una dispersión apreciable de la luz. En una escala macroscópica (aquella en la que las dimensiones son mucho mayores que las longitudes de onda de los fotones en cuestión), se puede decir que los fotones siguen la Ley de Snell. Translucidez deja pasar la luz, pero no necesariamente (nuevamente, en la escala macroscópica) sigue la ley de Snell; los fotones se pueden dispersar en cualquiera de las dos interfaces, o internamente, donde hay un cambio en el índice de refracción. En otras palabras, un material translúcido está formado por componentes con diferentes índices de refracción. Un material transparente está formado por componentes con un índice de refracción uniforme. Los materiales transparentes parecen claros, con la apariencia general de un color o cualquier combinación que conduzca a un espectro brillante de cada color. La propiedad opuesta de la translucidez es la opacidad.

Cuando la luz se encuentra con un material, puede interactuar con él de varias maneras diferentes. Estas interacciones dependen de la longitud de onda de la luz y de la naturaleza del material. Los fotones interactúan con un objeto mediante alguna combinación de reflexión, absorción y transmisión. Algunos materiales, como el vidrio plano y el agua limpia, transmiten gran parte de la luz que incide sobre ellos y la reflejan muy poco; tales materiales se denominan ópticamente transparentes. Muchos líquidos y soluciones acuosas son muy transparentes. La ausencia de defectos estructurales (vacíos, grietas, etc.) y la estructura molecular de la mayoría de los líquidos son los principales responsables de una excelente transmisión óptica.

Los materiales que no transmiten la luz se denominan opacos. Muchas de estas sustancias tienen una composición química que incluye lo que se conoce como centros de absorción. Muchas sustancias son selectivas en su absorción de frecuencias de luz blanca. Absorben ciertas porciones del espectro visible mientras reflejan otras. Las frecuencias del espectro que no se absorben se reflejan o transmiten para nuestra observación física. Esto es lo que da lugar al color. La atenuación de la luz de todas las frecuencias y longitudes de onda se debe a los mecanismos combinados de absorción y dispersión.

La transparencia puede proporcionar un camuflaje casi perfecto para los animales capaces de lograrlo. Esto es más fácil en agua de mar turbia o con poca luz que en una buena iluminación. Muchos animales marinos, como las medusas, son muy transparentes.

Etimología

• Inglés medio tardío: del francés antiguo, del latín medieval transparent- 'brillando a través', del latín transparere, de trans- 'a través de' + parere 'ser visible'.
• finales del siglo XVI (en el sentido latino): del latín translucent- 'brillando a través', del verbo translucere, de trans- 'a través de' + lucere 'brillar'.
• Opake del inglés medio tardío, del latín opacus 'oscurecido'. La ortografía actual (rara antes del siglo XIX) ha sido influenciada por la forma francesa.

Introducción

Con respecto a la absorción de la luz, las consideraciones de los materiales primarios incluyen:

• A nivel electrónico, la absorción en las porciones ultravioleta y visible (UV-Vis) del espectro depende de si los orbitales electrónicos están espaciados (o "cuantificados") de manera que puedan absorber un cuanto de luz (o fotón) de un determinado frecuencia, y no viola las reglas de selección. Por ejemplo, en la mayoría de los vidrios, los electrones no tienen niveles de energía disponibles por encima de ellos en el rango asociado con la luz visible o, si los tienen, violan las reglas de selección, lo que significa que no hay una absorción apreciable en los vidrios puros (no dopados), lo que los hace ideales. materiales transparentes para ventanas en edificios.
• A nivel atómico o molecular, la absorción física en la porción infrarroja del espectro depende de las frecuencias de las vibraciones atómicas o moleculares o de los enlaces químicos, y de las reglas de selección. El nitrógeno y el oxígeno no son gases de efecto invernadero porque no existe un momento dipolar molecular.

Con respecto a la dispersión de la luz, el factor más crítico es la escala de longitud de cualquiera o todas estas características estructurales en relación con la longitud de onda de la luz que se dispersa. Las consideraciones de material primario incluyen:

• Estructura cristalina: si los átomos o las moléculas exhiben el 'orden de largo alcance' evidenciado en los sólidos cristalinos.
• Estructura vítrea: los centros de dispersión incluyen fluctuaciones en densidad o composición.
• Microestructura: los centros de dispersión incluyen superficies internas como límites de grano, defectos cristalográficos y poros microscópicos.
• Materiales orgánicos: los centros de dispersión incluyen estructuras y límites de fibras y células.

Reflexión difusa: por lo general, cuando la luz golpea la superficie de un material sólido (no metálico ni vítreo), rebota en todas las direcciones debido a los múltiples reflejos de las irregularidades microscópicas dentro del material (p. ej., los límites de grano de un material policristalino). material, o los límites celulares o fibrosos de un material orgánico), y por su superficie, si es rugosa. La reflexión difusa se caracteriza típicamente por ángulos de reflexión omnidireccionales. La mayoría de los objetos visibles a simple vista se identifican mediante reflexión difusa. Otro término comúnmente utilizado para este tipo de reflexión es "dispersión de luz". La dispersión de la luz desde las superficies de los objetos es nuestro principal mecanismo de observación física.

La dispersión de la luz en líquidos y sólidos depende de la longitud de onda de la luz que se dispersa. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad (usando luz blanca), dependiendo de la frecuencia de la onda de luz y la dimensión física (o escala espacial) del centro de dispersión. La luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de medio micrómetro. Los centros de dispersión (o partículas) tan pequeños como un micrómetro se han observado directamente en el microscopio óptico (p. ej., movimiento browniano).

Cerámica transparente

La transparencia óptica en materiales policristalinos está limitada por la cantidad de luz que se dispersa por sus características microestructurales. La dispersión de la luz depende de la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad (usando luz blanca), dependiendo de la frecuencia de la onda de luz y la dimensión física del centro de dispersión. Por ejemplo, dado que la luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de un micrómetro, los centros de dispersión tendrán dimensiones en una escala espacial similar. Los centros de dispersión primarios en materiales policristalinos incluyen defectos microestructurales como poros y límites de grano. Además de los poros, la mayoría de las interfaces en un objeto típico de metal o cerámica tienen la forma de límites de grano que separan regiones diminutas de orden cristalino.

En la formación de materiales policristalinos (metales y cerámicas) el tamaño de los granos cristalinos está determinado en gran medida por el tamaño de las partículas cristalinas presentes en la materia prima durante la formación (o prensado) del objeto. Además, el tamaño de los límites de grano escala directamente con el tamaño de partícula. Por lo tanto, una reducción del tamaño de partícula original muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible (alrededor de 1/15 de la longitud de onda de la luz o aproximadamente 600/15 = 40 nanómetros) elimina gran parte de la dispersión de la luz, dando como resultado un material translúcido o incluso transparente.

El modelado por computadora de la transmisión de luz a través de la alúmina cerámica translúcida ha demostrado que los poros microscópicos atrapados cerca de los límites de los granos actúan como centros de dispersión primarios. La fracción de volumen de porosidad tuvo que reducirse por debajo del 1 % para una transmisión óptica de alta calidad (99,99 % de la densidad teórica). Este objetivo se ha logrado fácilmente y se ha demostrado ampliamente en laboratorios e instalaciones de investigación de todo el mundo utilizando los métodos de procesamiento químico emergentes que abarcan los métodos de la química sol-gel y la nanotecnología.

Las cerámicas transparentes han creado interés en sus aplicaciones para láseres de alta energía, ventanas blindadas transparentes, conos de punta para misiles buscadores de calor, detectores de radiación para pruebas no destructivas, física de alta energía, exploración espacial, seguridad y aplicaciones de imágenes médicas. Los elementos láser grandes hechos de cerámica transparente se pueden producir a un costo relativamente bajo. Estos componentes están libres de estrés interno o birrefringencia intrínseca y permiten niveles de dopaje relativamente altos o perfiles de dopaje optimizados y diseñados a la medida. Esto hace que los elementos láser cerámicos sean particularmente importantes para los láseres de alta energía.

El desarrollo de productos de paneles transparentes tendrá otras aplicaciones avanzadas potenciales, incluidos materiales de alta resistencia y resistentes a los impactos que se pueden usar para ventanas y tragaluces domésticos. Quizás lo más importante es que los muros y otras aplicaciones tendrán una resistencia general mejorada, especialmente para las condiciones de alto cizallamiento que se encuentran en exposiciones sísmicas y de viento elevadas. Si se confirman las mejoras esperadas en las propiedades mecánicas, los límites tradicionales que se ven en las áreas de acristalamiento en los códigos de construcción actuales podrían quedar obsoletos rápidamente si el área de la ventana realmente contribuye a la resistencia al corte de la pared.

Los materiales transparentes infrarrojos disponibles en la actualidad suelen presentar un equilibrio entre el rendimiento óptico, la resistencia mecánica y el precio. Por ejemplo, el zafiro (alúmina cristalina) es muy fuerte, pero es costoso y carece de transparencia total en el rango de infrarrojo medio de 3 a 5 micrómetros. La itria es completamente transparente de 3 a 5 micrómetros, pero carece de la fuerza, la dureza y la resistencia al choque térmico suficientes para aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento. No es sorprendente que una combinación de estos dos materiales en forma de granate de itrio y aluminio (YAG) sea uno de los mejores en el campo.

Absorción de luz en sólidos.

Cuando la luz golpea un objeto, por lo general no tiene una sola frecuencia (o longitud de onda), sino muchas. Los objetos tienen una tendencia a absorber, reflejar o transmitir selectivamente la luz de ciertas frecuencias. Es decir, un objeto puede reflejar luz verde mientras absorbe todas las demás frecuencias de luz visible. Otro objeto podría transmitir selectivamente la luz azul mientras absorbe todas las demás frecuencias de la luz visible. La forma en que la luz visible interactúa con un objeto depende de la frecuencia de la luz, la naturaleza de los átomos en el objeto y, a menudo, la naturaleza de los electrones en los átomos del objeto.

Algunos materiales permiten que gran parte de la luz que incide sobre ellos se transmita a través del material sin reflejarse. Los materiales que permiten la transmisión de ondas de luz a través de ellos se denominan ópticamente transparentes. El vidrio de ventana químicamente puro (sin dopar) y el agua limpia de río o manantial son excelentes ejemplos de esto.

Los materiales que no permiten la transmisión de ninguna frecuencia de onda de luz se denominan opacos. Tales sustancias pueden tener una composición química que incluya lo que se denomina centros de absorción. La mayoría de los materiales están compuestos de materiales que son selectivos en su absorción de frecuencias de luz. Por lo tanto, absorben solo ciertas porciones del espectro visible. Las frecuencias del espectro que no se absorben se reflejan o se transmiten para nuestra observación física. En la porción visible del espectro, esto es lo que da origen al color.

Los centros de absorción son en gran parte responsables de la aparición de longitudes de onda específicas de luz visible a nuestro alrededor. Pasando de longitudes de onda más largas (0,7 micrómetros) a más cortas (0,4 micrómetros): nuestros sentidos pueden identificar rojo, naranja, amarillo, verde y azul (ROYGB) en la apariencia del color mediante la absorción selectiva de frecuencias de ondas de luz específicas (o longitudes de onda). Los mecanismos de absorción selectiva de ondas de luz incluyen:

• Electrónica: transiciones en los niveles de energía de los electrones dentro del átomo (p. ej., pigmentos). Estas transiciones se encuentran típicamente en las porciones ultravioleta (UV) y/o visible del espectro.
• Vibracional: Resonancia en modos vibracionales atómicos/moleculares. Estas transiciones se encuentran típicamente en la porción infrarroja del espectro.

UV-Vis: transiciones electrónicas

En la absorción electrónica, la frecuencia de la onda de luz entrante está en o cerca de los niveles de energía de los electrones dentro de los átomos que componen la sustancia. En este caso, los electrones absorberán la energía de la onda de luz y aumentarán su estado de energía, a menudo moviéndose hacia afuera desde el núcleo del átomo hacia una capa externa u orbital.

Los átomos que se unen para formar las moléculas de cualquier sustancia en particular contienen una cantidad de electrones (dado por el número atómico Z en la tabla periódica). Recuerde que todas las ondas de luz son de origen electromagnético. Por lo tanto, se ven fuertemente afectados cuando entran en contacto con electrones cargados negativamente en la materia. Cuando los fotones (paquetes individuales de energía luminosa) entran en contacto con los electrones de valencia del átomo, puede ocurrir y ocurrirá una de varias cosas:

• Una molécula absorbe el fotón, parte de la energía puede perderse a través de la luminiscencia, la fluorescencia y la fosforescencia.
• Una molécula absorbe el fotón que da como resultado la reflexión o la dispersión.
• Una molécula no puede absorber la energía del fotón y el fotón sigue su camino. Esto da como resultado la transmisión (siempre que no estén activos otros mecanismos de absorción).

La mayoría de las veces, es una combinación de lo anterior lo que le sucede a la luz que golpea un objeto. Los estados en diferentes materiales varían en el rango de energía que pueden absorber. La mayoría de los anteojos, por ejemplo, bloquean la luz ultravioleta (UV). Lo que sucede es que los electrones en el vidrio absorben la energía de los fotones en el rango ultravioleta mientras ignoran la energía más débil de los fotones en el espectro de luz visible. Pero también existen tipos de vidrio especiales, como tipos especiales de vidrio de borosilicato o cuarzo que son permeables a los rayos UV y, por lo tanto, permiten una alta transmisión de luz ultravioleta.

Por lo tanto, cuando se ilumina un material, los fotones de luz individuales pueden hacer que los electrones de valencia de un átomo pasen a un nivel de energía electrónica más alto. El fotón se destruye en el proceso y la energía radiante absorbida se transforma en energía potencial eléctrica. Varias cosas pueden ocurrirle a la energía absorbida: puede ser reemitida por el electrón como energía radiante (en este caso, el efecto general es de hecho una dispersión de luz), disipada al resto del material (es decir, transformada en calor).), o el electrón puede liberarse del átomo (como en los efectos fotoeléctrico y Compton).

Infrarrojos: Estiramiento de enlaces

El principal mecanismo físico para almacenar energía mecánica de movimiento en la materia condensada es a través del calor o energía térmica. La energía térmica se manifiesta como energía de movimiento. Así, el calor es movimiento a nivel atómico y molecular. El principal modo de movimiento en las sustancias cristalinas es la vibración. Cualquier átomo dado vibrará alrededor de alguna posición media o promedio dentro de una estructura cristalina, rodeado por sus vecinos más cercanos. Esta vibración en dos dimensiones equivale a la oscilación del péndulo de un reloj. Se balancea hacia adelante y hacia atrás simétricamente en alguna posición media o promedio (vertical). Las frecuencias vibratorias atómicas y moleculares pueden tener un promedio del orden de 10 ciclos por segundo (radiación de terahercios).

Cuando una onda de luz de una frecuencia dada golpea un material con partículas que tienen las mismas frecuencias vibratorias (resonantes), esas partículas absorberán la energía de la onda de luz y la transformarán en energía térmica de movimiento vibratorio. Dado que diferentes átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorberán selectivamente diferentes frecuencias (o porciones del espectro) de luz infrarroja. La reflexión y la transmisión de las ondas de luz se producen porque las frecuencias de las ondas de luz no coinciden con las frecuencias resonantes naturales de vibración de los objetos. Cuando la luz infrarroja de estas frecuencias golpea un objeto, la energía se refleja o transmite.

Si el objeto es transparente, las ondas de luz se transmiten a los átomos vecinos a través de la mayor parte del material y se vuelven a emitir en el lado opuesto del objeto. Se dice que tales frecuencias de ondas de luz se transmiten.

Transparencia en aisladores

Un objeto puede no ser transparente porque refleja la luz entrante o porque absorbe la luz entrante. Casi todos los sólidos reflejan una parte y absorben una parte de la luz entrante.

Cuando la luz incide sobre un bloque de metal, se encuentra con átomos que están estrechamente empaquetados en una red regular y un "mar de electrones" que se mueve al azar entre los átomos. En los metales, la mayoría de estos son electrones no enlazantes (o electrones libres) a diferencia de los electrones enlazantes que normalmente se encuentran en los sólidos no metálicos (aislantes) unidos covalentemente o unidos iónicamente. En un enlace metálico, cualquier electrón de enlace potencial puede ser fácilmente perdido por los átomos en una estructura cristalina. El efecto de esta deslocalización es simplemente exagerar el efecto del "mar de electrones". Como resultado de estos electrones, la mayor parte de la luz entrante en los metales se refleja, por lo que vemos una superficie metálica brillante.

La mayoría de los aislantes (o materiales dieléctricos) se mantienen unidos por enlaces iónicos. Por lo tanto, estos materiales no tienen electrones de conducción libres y los electrones de enlace reflejan solo una pequeña fracción de la onda incidente. Las frecuencias restantes (o longitudes de onda) son libres de propagarse (o transmitirse). Esta clase de materiales incluye todas las cerámicas y vidrios.

Si un material dieléctrico no incluye moléculas aditivas absorbentes de luz (pigmentos, tintes, colorantes), generalmente es transparente al espectro de luz visible. Los centros de color (o moléculas de tinte o "dopantes") en un dieléctrico absorben una parte de la luz entrante. Las frecuencias restantes (o longitudes de onda) son libres de ser reflejadas o transmitidas. Así es como se produce el vidrio coloreado.

La mayoría de los líquidos y soluciones acuosas son altamente transparentes. Por ejemplo, el agua, el aceite de cocina, el alcohol isopropílico, el aire y el gas natural son todos transparentes. La ausencia de defectos estructurales (vacíos, grietas, etc.) y la estructura molecular de la mayoría de los líquidos son los principales responsables de su excelente transmisión óptica. La capacidad de los líquidos para "curar" los defectos internos a través del flujo viscoso es una de las razones por las que algunos materiales fibrosos (por ejemplo, papel o tela) aumentan su transparencia aparente cuando se humedecen. El líquido llena numerosos vacíos haciendo que el material sea estructuralmente más homogéneo.

La dispersión de la luz en un sólido cristalino (no metálico) ideal sin defectos que no proporciona centros de dispersión para la luz entrante se debe principalmente a cualquier efecto de falta de armonía dentro de la red ordenada. La transmisión de luz será altamente direccional debido a la anisotropía típica de las sustancias cristalinas, que incluye su grupo de simetría y la red de Bravais. Por ejemplo, las siete formas cristalinas diferentes de sílice de cuarzo (dióxido de silicio, SiO ₂) son todos materiales claros y transparentes.

Guías de ondas ópticas

Los materiales ópticamente transparentes se centran en la respuesta de un material a las ondas de luz entrantes de un rango de longitudes de onda. La transmisión de ondas de luz guiada a través de guías de ondas selectivas de frecuencia involucra el campo emergente de la fibra óptica y la capacidad de ciertas composiciones vítreas para actuar como un medio de transmisión para un rango de frecuencias simultáneamente (fibra óptica multimodo) con poca o ninguna interferencia entre longitudes de onda competidoras o frecuencias Este modo resonante de transmisión de energía y datos a través de la propagación de ondas electromagnéticas (luz) es relativamente sin pérdidas.

Una fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica cilíndrica que transmite luz a lo largo de su eje mediante el proceso de reflexión interna total. La fibra consta de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento. Para confinar la señal óptica en el núcleo, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del revestimiento. El índice de refracción es el parámetro que refleja la velocidad de la luz en un material. (El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio determinado. Por lo tanto, el índice de refracción del vacío es 1). Cuanto mayor sea el índice de refracción, más lentamente viajará la luz en ese medio. Los valores típicos para el núcleo y el revestimiento de una fibra óptica son 1,48 y 1,46, respectivamente.

Cuando la luz que viaja en un medio denso golpea un límite en un ángulo pronunciado, la luz se reflejará por completo. Este efecto, llamado reflexión interna total, se utiliza en las fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo. La luz viaja a lo largo de la fibra rebotando de un lado a otro del límite. Debido a que la luz debe incidir en el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico, solo se propagará la luz que ingrese a la fibra dentro de un cierto rango de ángulos. Este rango de ángulos se denomina cono de aceptación de la fibra. El tamaño de este cono de aceptación es una función de la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento de la fibra. Las guías de ondas ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados (por ejemplo, combinados con láseres o diodos emisores de luz,

Mecanismos de atenuación

La atenuación en fibra óptica, también conocida como pérdida de transmisión, es la reducción de la intensidad del haz de luz (o señal) con respecto a la distancia recorrida a través de un medio de transmisión. Los coeficientes de atenuación en fibra óptica suelen utilizar unidades de dB/km a través del medio debido a la muy alta calidad de transparencia de los medios de transmisión óptica modernos. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice que confina el haz de luz incidente al interior. La atenuación es un factor importante que limita la transmisión de una señal a grandes distancias. En las fibras ópticas, la principal fuente de atenuación es la dispersión de las irregularidades a nivel molecular (dispersión de Rayleigh)debido al desorden estructural y las fluctuaciones de composición de la estructura del vidrio. Este mismo fenómeno es visto como uno de los factores limitantes en la transparencia de los domos de misiles infrarrojos. La atenuación adicional es causada por la luz absorbida por materiales residuales, como metales o iones de agua, dentro del núcleo de fibra y el revestimiento interior. Las fugas de luz debidas a dobleces, empalmes, conectores u otras fuerzas externas son otros factores que provocan la atenuación.

Como camuflaje

Muchos animales marinos que flotan cerca de la superficie son muy transparentes, lo que les proporciona un camuflaje casi perfecto. Sin embargo, la transparencia es difícil para cuerpos hechos de materiales que tienen diferentes índices de refracción del agua de mar. Algunos animales marinos como las medusas tienen cuerpos gelatinosos, compuestos principalmente de agua; su espesa mesoglea es acelular y muy transparente. Esto los hace convenientemente flotantes, pero también los hace grandes para su masa muscular, por lo que no pueden nadar rápido, lo que hace que esta forma de camuflaje sea una costosa compensación por la movilidad.Los animales planctónicos gelatinosos son entre un 50 y un 90 por ciento transparentes. Una transparencia del 50 por ciento es suficiente para hacer que un animal sea invisible para un depredador como el bacalao a una profundidad de 650 metros (2130 pies); se requiere una mayor transparencia para la invisibilidad en aguas poco profundas, donde la luz es más brillante y los depredadores pueden ver mejor. Por ejemplo, un bacalao puede ver presas que son 98 por ciento transparentes con una iluminación óptima en aguas poco profundas. Por lo tanto, la transparencia suficiente para el camuflaje se logra más fácilmente en aguas más profundas. Por la misma razón, la transparencia en el aire es aún más difícil de lograr, pero un ejemplo parcial se encuentra en las ranas de cristal de la selva tropical de América del Sur, que tienen la piel translúcida y las extremidades de color verdoso pálido.Varias especies centroamericanas de mariposas de alas claras (ithomiine) y muchas libélulas e insectos afines también tienen alas que en su mayoría son transparentes, una forma de cripsis que brinda cierta protección contra los depredadores.