domenica 20 gennaio 2013

Laser ed ottica geometrica

Le leggi dell'ottica geometrica sono alla base del funzionamento di  ogni telescopio, macchina fotografica, specchio. Secondo questa formulazione semplificata la luce si propaga in maniera rettilinea; quando essa incontra un materiale  diverso   il raggio luminoso viene in parte riflesso    ed in parte rifratto.
L'angolo riflesso è lo stesso di quello incidente, quello rifratto si avvicina alla normale della superficie  se l'indice di rifrazione cresce. 
La legge di Snell descrive quantitativamente questo fenomeno: 

n_1 \sin\theta_1=n_2\sin\theta_2

dove n1 e theta1 sono gli indici di rifrazione e l'angolo di incidenza del mezzo 1 e n2 e theta2 sono gli indici di rifrazione del mezzo 2.

In foto è mostrata la riflessione e rifrazione di un puntatore laser nello stagno del Riken: in questo caso n1=1 (aria) ed n2=1.33 (acqua).
Il raggio rifratto si avvicina alla normale alla superficie perchè l'indice di rifrazione dell'acqua è maggiore di quello dell'aria (per inciso la velocità della luce nel mezzo scende con l'aumentare di n: nell'acqua il raggio si muove "appena" a circa 200,000 km/s).
La luce del raggio laser è visibile grazie alle molecole d'aria e polvere che ne assorbono parte dei fotoni e li riemettono in tutte le direzioni; nel vuoto il laser è invisibile, con buona pace degli effetti speciali dei film di fantascienza.
Inoltre poichè l'acqua è un mezzo circa 1000 volte più denso dell'aria, il raggio rifratto è più luminoso perché assorbe - e riemette -  più luce. 


Se invece il raggio luminoso ha  origine nell'acqua questo si allontana dalla normale quando prosegue nell'aria. Vi è quindi un un angolo limite  (seno(theta)= naria / nacqua = 48.7 gradi) in cui la luce si propaga parallelamente alla superficie: oltre questo valore la riflessione del raggio è totale e non vi è raggio rifratto. 
Ad esempio nella foto accanto, la luce del centro commerciale (sulla destra) entra nell'acquario ma non ne può uscire: il vetro sulla destra non è dunque trasparente ma può solo riflettere luce e le immagini dell'interno dell'acquario. 


Angolo limite (da qui)