Transparencia y translucidez

En el campo de la óptica , la transparencia (también llamada pellucidez o diafanidad ) es la propiedad física que permite que la luz atraviese un material sin una dispersión apreciable . A escala macroscópica (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 . La translucidez (también llamada translucidez ) es la propiedad física que permite que la luz atraviese un material (con o sin dispersión). Permite el paso de la luz, pero esta no necesariamente sigue la ley de Snell a escala macroscópica; los fotones pueden dispersarse en cualquiera de las dos interfaces o internamente, donde hay un cambio en el índice de refracción . En otras palabras, un material translúcido está compuesto por componentes con diferentes índices de refracción , mientras que un material transparente está compuesto por componentes con un índice de refracción uniforme. ^{[ 1 ]} Los materiales transparentes parecen claros, con una apariencia general de un solo color, o cualquier combinación que dé como resultado un espectro brillante de todos los colores. La propiedad opuesta a la translucidez es la opacidad . Otras categorías de apariencia visual, relacionadas con la percepción de la reflexión y transmisión regular o difusa de la luz, se han organizado bajo el concepto de cesia en un sistema de orden con tres variables, incluyendo transparencia, translucidez y opacidad entre los aspectos involucrados.

Cuando la luz incide sobre un material, puede interactuar con él de diversas maneras. Estas interacciones dependen de la longitud de onda de la luz y de la naturaleza del material. Los fotones interactúan con un objeto mediante una combinación de reflexión, absorción y transmisión. Algunos materiales, como el vidrio plano y el agua pura , transmiten gran parte de la luz que incide sobre ellos y reflejan muy poca; estos materiales se denominan ópticamente transparentes. Muchos líquidos y soluciones acuosas son altamente transparentes. La ausencia de defectos estructurales (poros, grietas, etc.) y la estructura molecular de la mayoría de los líquidos son las principales responsables de su 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 se 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 . ^{[ 2 ]}

La transparencia puede proporcionar un camuflaje casi perfecto a los animales capaces de lograrla. Esto resulta más fácil en aguas poco iluminadas o turbias que con buena iluminación. Muchos animales marinos, como las medusas, son muy transparentes.

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

En lo que respecta a la absorción de la luz, las consideraciones principales sobre los materiales 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 "cuantizados") de tal manera que los electrones puedan absorber un cuanto de luz (o fotón ) de una frecuencia específica . 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, la transición a ellos violaría las reglas de selección , lo que significa que no hay una absorción apreciable en vidrios puros (sin dopar), lo que los convierte en materiales transparentes ideales 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 tienen momento dipolar molecular .

En lo que respecta a la dispersión de la luz , el factor más crítico es la escala de longitud de cualquiera o de todas estas características estructurales en relación con la longitud de onda de la luz que se dispersa. Las consideraciones principales sobre los materiales incluyen:

• Estructura cristalina: si los átomos o las moléculas presentan el "orden de largo alcance" que se observa en los sólidos cristalinos.
• Estructura vítrea: Los centros de dispersión incluyen fluctuaciones en la densidad o la 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 : Generalmente, cuando la luz incide sobre la superficie de un material sólido (no metálico ni vítreo), rebota en todas direcciones debido a las múltiples reflexiones producidas por las irregularidades microscópicas internas del material (por ejemplo, los límites de grano de un material policristalino o los límites celulares o fibrosos de un material orgánico), y por su superficie, si esta 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 la reflexión difusa. Otro término comúnmente utilizado para este tipo de reflexión es "dispersión de la luz". La dispersión de la luz en las superficies de los objetos es nuestro principal mecanismo de observación física. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La dispersión de la luz en líquidos y sólidos depende de la longitud de onda de la luz dispersada. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad (usando luz blanca), que dependen de la frecuencia de la onda de luz y de la dimensión física (o escala espacial) del centro de dispersión. La luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de 0,5 μm . Se han observado centros de dispersión (o partículas) tan pequeños como 1 μm directamente en el microscopio óptico (por ejemplo, movimiento browniano ). ^{[ 5 ] [ 6 ]}  

Cerámica transparente

La transparencia óptica en materiales policristalinos está limitada por la cantidad de luz dispersada por sus características microestructurales. La dispersión de la luz depende de su longitud de onda. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad (con luz blanca), que dependen de la frecuencia de la onda luminosa y de la dimensión física del centro de dispersión. Por ejemplo, dado que la luz visible tiene una 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 se presentan en forma de límites de grano , que separan pequeñas regiones de orden cristalino. Cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce por debajo de la longitud de onda de la luz dispersada, la dispersión deja de producirse de forma significativa.

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 es directamente proporcional al tamaño de las partículas. Por lo tanto, una reducción del tamaño original de las partículas muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible (aproximadamente 1/15 de la longitud de onda de la luz, o aproximadamente 600  nm  /  15 = 40 nm ) elimina gran parte de la dispersión de la luz, lo que da como resultado un material translúcido o incluso transparente. 

La modelización computacional de la transmisión de luz a través de alúmina cerámica translúcida ha demostrado que los poros microscópicos atrapados cerca de los límites de grano actúan como centros de dispersión primarios. La fracción volumétrica de porosidad tuvo que reducirse por debajo del 1 % para lograr una transmisión óptica de alta calidad (99,99 % de la densidad teórica). Este objetivo se ha alcanzado fácilmente y se ha demostrado ampliamente en laboratorios e instalaciones de investigación de todo el mundo utilizando los métodos emergentes de procesamiento químico que abarcan los métodos de química sol-gel y nanotecnología . ^{[ 7 ]}

Las cerámicas transparentes han despertado interés por sus aplicaciones en láseres de alta energía, ventanas de blindaje transparentes, ojivas para misiles guiados por calor, detectores de radiación para ensayos no destructivos, física de altas energías, exploración espacial, seguridad e imágenes médicas. Los elementos láser de gran tamaño fabricados con cerámica transparente pueden producirse a un coste relativamente bajo. Estos componentes carecen de tensiones internas o birrefringencia intrínseca y permiten niveles de dopaje relativamente altos o perfiles de dopaje optimizados y diseñados a medida. Esto hace que los elementos láser cerámicos sean especialmente importantes para los láseres de alta energía.

El desarrollo de paneles transparentes ofrecerá otras posibles aplicaciones avanzadas, como materiales de alta resistencia y resistentes a los impactos, aptos para ventanas y claraboyas domésticas. Quizás aún más importante sea la mejora en la resistencia general de muros y otras estructuras, especialmente ante esfuerzos cortantes intensos propios de zonas sísmicas y de fuertes vientos. Si se confirman las mejoras previstas en las propiedades mecánicas, las limitaciones tradicionales en las superficies acristaladas, contempladas en la normativa de construcción actual, podrían quedar obsoletas rápidamente si la superficie de la ventana contribuye realmente a la resistencia al corte del muro.

Los materiales transparentes al infrarrojo disponibles actualmente suelen presentar un compromiso entre rendimiento óptico, resistencia mecánica y precio. Por ejemplo, el zafiro ( alúmina cristalina ) es muy resistente, pero es caro y carece de transparencia total en el  rango infrarrojo medio de 3 a 5 μm. La itria es totalmente transparente de 3 a 5  μm, pero carece de la resistencia, dureza y resistencia al choque térmico suficientes para aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento. La combinación de estos dos materiales en forma de granate de itrio y aluminio (YAG) es una de las opciones más destacadas en este campo.

Cuando la luz incide sobre un objeto, generalmente no tiene una sola frecuencia (o longitud de onda), sino muchas. Los objetos tienden a absorber, reflejar o transmitir selectivamente la luz de ciertas frecuencias. Es decir, un objeto podría reflejar la 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 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 que lo componen y, a menudo, la naturaleza de los electrones en dichos átomos .

Algunos materiales permiten que gran parte de la luz que incide sobre ellos se transmita sin reflejarse. Los materiales que permiten el paso de las ondas de luz se denominan ópticamente transparentes. El vidrio de ventana químicamente puro (sin aditivos) y el agua limpia de río o manantial son ejemplos claros de ello.

Los materiales que no permiten la transmisión de ninguna frecuencia de onda de luz se denominan opacos . Dichas sustancias pueden tener una composición química que incluye lo que se conoce como centros de absorción. La mayoría de los materiales están compuestos de sustancias que absorben selectivamente las 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 lugar al color. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

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

• Electrónica: Transiciones en los niveles de energía de los electrones dentro del átomo (por ejemplo, pigmentos ). Estas transiciones suelen ocurrir 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.

Infrarrojo: estiramiento de enlaces

El mecanismo físico principal para almacenar energía mecánica de movimiento en la materia condensada es el calor , o energía térmica . La energía térmica se manifiesta como energía de movimiento. Por lo tanto, el calor es movimiento a nivel atómico y molecular. El modo principal de movimiento en las sustancias cristalinas es la vibración . Cualquier átomo vibrará alrededor de una posición media dentro de una estructura cristalina, rodeado por sus vecinos más cercanos. Esta vibración en dos dimensiones es equivalente a la oscilación del péndulo de un reloj. Oscila simétricamente alrededor de una posición media (vertical). Las frecuencias vibracionales atómicas y moleculares pueden promediar en el orden de 10¹² ^ciclos por segundo ( radiación de terahercios ).

Cuando una onda de luz de una frecuencia determinada incide sobre un material con partículas que poseen frecuencias vibracionales iguales o resonantes, dichas partículas absorben la energía de la onda y la transforman en energía térmica de movimiento vibracional. Dado que los distintos átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorben selectivamente distintas 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 no coinciden con las frecuencias de resonancia natural de vibración de los objetos. Cuando la luz infrarroja de estas frecuencias incide sobre un objeto, la energía se refleja o se transmite.

Si el objeto es transparente, las ondas de luz se transmiten a los átomos vecinos a través del material y se reemiten en el lado opuesto. Se dice que dichas frecuencias de ondas de luz se transmiten. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

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

Una fibra óptica es una guía de onda 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 de este 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 incide sobre un límite con un ángulo pronunciado, se refleja completamente. Este efecto, denominado 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 repetidamente en el límite. Dado que la luz debe incidir sobre el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico , solo se propagará la luz que entre en la fibra dentro de un rango determinado de ángulos. Este rango de ángulos se denomina cono de aceptación de la fibra. El tamaño de este cono de aceptación depende de la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento de la fibra. Las guías de onda ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados (por ejemplo, combinadas con láseres o diodos emisores de luz , LED) o como medio de transmisión en sistemas de comunicación óptica locales y de larga distancia .

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) en función de la distancia recorrida a través del medio de transmisión. Es un factor importante que limita la transmisión de una señal a grandes distancias. Los coeficientes de atenuación en fibra óptica suelen expresarse en dB/km a través del medio debido a la alta 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 en su interior.

En las fibras ópticas, la principal fuente de atenuación es la dispersión debida a irregularidades a nivel molecular, denominada dispersión de Rayleigh , ^{[ 15 ]} causada por el desorden estructural y las fluctuaciones composicionales de la estructura del vidrio . Este mismo fenómeno se considera uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de misiles infrarrojos. ^{[ 16 ]} La luz absorbida por materiales residuales, como metales o iones de agua, dentro del núcleo y el revestimiento interno de la fibra, también contribuye a la atenuación. Las fugas de luz debidas a la flexión, los empalmes, los conectores u otras fuerzas externas son otros factores que provocan atenuación. A altas potencias ópticas, la dispersión también puede ser causada por procesos ópticos no lineales en la fibra. ^{[ 17 ]}

Muchos animales marinos que flotan cerca de la superficie son altamente transparentes, lo que les proporciona un camuflaje casi perfecto . ^{[ 18 ]} Sin embargo, la transparencia es difícil para cuerpos hechos de materiales que tienen índices de refracción diferentes al del agua de mar. Algunos animales marinos, como las medusas, tienen cuerpos gelatinosos, compuestos principalmente de agua; su mesoglea gruesa es acelular y altamente transparente. Esto convenientemente les hace flotar , pero también las hace grandes en relación con su masa muscular, por lo que no pueden nadar rápido, lo que hace que esta forma de camuflaje sea una compensación costosa con la movilidad. ^{[ 18 ]} Los animales planctónicos gelatinosos tienen entre un 50 y un 90 por ciento de transparencia. 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 menos profundas, donde la luz es más brillante y los depredadores pueden ver mejor. Por ejemplo, un bacalao puede ver presas que son un 98 por ciento transparentes con iluminación óptima en aguas poco profundas. Por lo tanto, la transparencia suficiente para el camuflaje se logra más fácilmente en aguas más profundas. ^{[ 18 ]} 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 sudamericana, que tienen piel translúcida y extremidades de color verde pálido. ^{[ 19 ]} Varias especies centroamericanas de mariposas de alas transparentes ( itomiinas ) y muchas libélulas e insectos afines también tienen alas que son mayormente transparentes, una forma de cripsis que proporciona cierta protección contra los depredadores. ^{[ 20 ]} 

• Electrodinámica de medios continuos , Landau, LD , Lifshits, EM y Pitaevskii, LP , (Pergamon Press, Oxford, 1984)
• Dispersión de luz láser: principios básicos y práctica. Chu, B., 2.ª ed. (Academic Press, Nueva York, 1992).
• Ingeniería de láseres de estado sólido , W. Koechner (Springer-Verlag, Nueva York, 1999)
• Introducción a la física química , J.C. Slater (McGraw-Hill, Nueva York, 1939)
• Teoría moderna de los sólidos , F. Seitz, (McGraw-Hill, Nueva York, 1940)
• Aspectos modernos del estado vítreo , J.D. MacKenzie, ed. (Butterworths, Londres, 1960)

• estabilidad UV
• Propiedades de la luz
• Absorción UV-Vis
• Espectroscopia infrarroja
• Dispersión de Brillouin
• Cerámica transparente
• Cristal antibalas
• Armadura ALON transparente
• Propiedades de los materiales ópticos
• ¿Qué hace que el vidrio sea transparente  ?
• Dispersión de Brillouin en fibra óptica
• Radiación infrarroja térmica y guiado de misiles