Interference

La interferencia de luz es un fenómeno que se produce por la interacción conjunta de múltiples ondas de luz bajo ciertas circunstancias; esto hace que las amplitudes combinadas de las ondas aumenten o disminuyan. A través de esta publicación, se expondrá tanto la interferencia constructiva como la destructiva de estas ondas de luz; así mismo, se abordará la causa de estas interferencias, y se proporcionarán algunos ejemplos y experimentos reales que demuestran este fenómeno.

¿Qué es la interferencia de ondas de luz?

Una característica importante de las ondas de luz es su capacidad, bajo determinadas circunstancias, de interferir entre sí. La definición de interferencia en física es la superposición de ondas, lo que provoca un aumento o disminución en la amplitud de la onda resultante. Prácticamente casi todas las personas han observado alguna vez algún tipo de interferencia óptica, pero no saben que es lo que produce este fenómeno. La mejor forma de ejemplarizar la interferencia de la luz es a través de la luz que se refleja en una película de aceite que flota en el agua. Otro ejemplo es la burbuja de jabón, ilustrada en la Figura 1, que refleja una variedad de hermosos colores al captar luz proveniente de fuentes de luz natural o artificial.

¿Cuál es la diferencia entre la interferencia constructiva y la destructiva?

Esta interacción dinámica de colores deriva de la reflexión simultánea de la luz a partir de las superficies interior y exterior de la burbuja (Figura 1). Las dos superficies presentan una separación sumamente estrecha: la burbuja tiene solo unas pocas micras de espesor. Por consiguiente, cuando la luz se refleja a partir de la superficie interna, este reflejo interfiere de forma constructiva y destructiva con el reflejo de la luz proveniente de la superficie externa. Esto se debe a que la luz reflejada desde la superficie interior de la burbuja efectúa una trayectoria más larga que la luz reflejada desde la superficie exterior. Cuando las ondas de luz reflejadas desde la superficie interna y externa se combinan, interferirán entre sí, lo que elimina o refuerza algunas partes de la luz blanca mediante interferencia destructiva o constructiva. Esto da como resultado las variaciones cromáticas visibles que se reflejan a partir de la burbuja. Si la distancia adicional que recorren las ondas de luz internas es exactamente la longitud de onda de las ondas de luz externas, entonces estas se recombinarán de forma constructiva y producirán colores brillantes de dichas longitudes de onda. En las áreas donde las ondas están desfasadas, se producirá una interferencia destructiva que cancelará la luz reflejada (y el color).

¿Cómo se produce la interferencia de la luz?

A continuación, se explica cómo las ondas de luz interfieren entre sí. Considere un par de ondas de luz, provenientes de la misma fuente, que viajan por ejemplo en una dirección D. Ilustrada en la Figura 2, se presenta la dirección de propagación; no obstante, si las vibraciones perpendiculares a la dirección de la propagación (en la Figura 2, representada como C) son paralelas entre sí y también son paralelas con respecto a la dirección de la vibración, entonces las ondas de luz pueden interferir entre ellas. Si las vibraciones no están en el mismo plano y vibran a 90 grados entre sí, entonces las ondas de luz no pueden interferir entre ellas.

Interferencia constructiva

Assuming all of the criteria listed above are met, then the waves can interfere either constructively or destructively with each other. If the crests of one of the waves coincide with the crests of the other, the amplitudes are additive. If the amplitudes of both waves are equal, the resultant amplitude would be doubled. Bear in mind that light intensity varies directly as the square of the amplitude. Thus, if the amplitude is doubled, intensity is quadrupled. Such additive interference is called constructive interference (illustrated in Figure 2).

Suponiendo que se cumplan todos los criterios citados anteriormente, las ondas pueden interferir entre sí de manera constructiva o destructiva. Si las crestas de una de las ondas coinciden con las crestas de la otra, las amplitudes son aditivas. Si las amplitudes de ambas ondas son iguales, la amplitud resultante se duplicará. Tenga en cuenta que la intensidad de la luz varía directamente con el cuadrado de la amplitud. Quiere decir que, si la amplitud se duplica, la intensidad se cuadriplica. Esta interferencia aditiva se llama interferencia constructiva (ilustrada en la Figura 2).

Interferencia destructiva

Si las crestas de una onda coinciden con las depresiones de la otra onda, la amplitud resultante disminuye o incluso puede cancelarse por completo, tal y como se ilustra en la Figura 3. A esto se le llama interferencia destructiva. El resultado es una caída de intensidad, o en caso de cancelación total, ennegrecimiento (tb. opacidad).

Ejemplos de interferencia

Thomas Young, físico de principios del siglo XIX, evidenció la interferencia al demostrar que la luz es un fenómeno ondulatorio, y también afirmó que se generaban diferentes colores de luz a partir de ondas de distintas longitudes. Esta teoría iba en contra de la opinión común de ese entonces, que era ampliamente partidista de otra teoría en la que la luz se comporta como una corriente de partículas. En 1801, Young llevó a cabo un experimento que proporcionó evidencia importante sobre las propiedades ondulatorias de la luz visible. Este experimento clásico, a menudo denominado «el experimento de la doble rendija», utilizó originalmente la luz solar que primero había sido difractada a través de una sola rendija como fuente de luz. Sin embargo, en este caso, se describirá el experimento usando luz láser roja uniforme.

El experimento de la doble rendija

The basic setup of the double-slit experiment is illustrated in Figure 4. Coherent laser light is allowed to illuminate a barrier containing two pinhole apertures that allow only some of the light to pass through. A screen is placed in the region behind the slits, and a pattern of bright red and dark interference bands becomes visible on the screen. The key to this experiment is the mutual coherence between the light diffracted from the two slits at the barrier.

¿Qué son las franjas de interferencia?

As laser light is diffracted through the two barrier slits, each diffracted wave meets the other in a series of steps, as illustrated in Figure 4 (and graphically in the interactive tutorial described above). Sometimes the waves meet in step (or in phase; constructive interference), sometimes they meet out of step (or out of phase; destructive interference), and sometimes they meet partially in step. When the waves meet in step, they add together owing to constructive interference, and a bright area is displayed on the screen. In areas where the waves meet totally out of step, they will subtract from each other owning to destructive interference, and a dark area will appear in that portion of the screen. The resulting patterns on the screen, a product of interference between the two diffracted beams of laser light, are often referred to as interference fringes.

Other types of experiments have been devised to demonstrate the wave-like nature of light and interference effects. Most notable are the single mirror experiment of Humphrey Lloyd and the double mirror and biprism experiments devised by Augustin Fresnel. These experiments are described in detail in many of the physics books listed in our bibliography.

A medida que la luz láser se difracta a través de las dos rendijas de la barrera, cada onda difractada se encuentra con la otra en una serie de pasos, como se ilustra en la Figura 4 (y gráficamente en el tutorial interactivo mencionado anteriormente). A veces, las ondas se encuentran en paso (o en fase, interferencia constructiva), a veces se encuentran fuera de paso (o en desfase, interferencia destructiva) y, a veces, se encuentran parcialmente en paso. Cuando las ondas se encuentran en paso, se adicionan debido a la interferencia constructiva; y un área brillante aparecerá en la pantalla. En áreas donde las ondas se encuentran totalmente en desfase, habrá sustracción entre ellas debido a la interferencia destructiva; y un área oscura aparecerá en esa parte de la pantalla. Los patrones resultantes en la pantalla, producto de la interferencia entre los dos haces difractados de luz láser, a menudo se denominan franjas (tb. bandas) de interferencia.

También hay otros tipos de experimentos que han demostrado la naturaleza ondulatoria de la luz y los efectos de la interferencia. Los más eminentes son el experimento de un solo espejo de Humphrey Lloyd y los experimentos de doble espejo y biprisma descritos por Augustin Fresnel. Es posible ahondar en estos experimentos a través de los varios libros de física que se listan en nuestra bibliografía .

Experimento de los anillos de Newton

Sir Isaac Newton, el famoso matemático y físico del siglo XVII, fue uno de los primeros científicos en estudiar los fenómenos de interferencia. En su famoso experimento «anillos de Newton», él usó una lente convexa dotada de un gran radio de curvatura. Esta última fue colocada sobre una placa de vidrio plana, a la cual se le aplicó presión para mantenerla junta a la lente. Cuando vio la placa a través de la luz solar reflejada, observó una serie de franjas de luz concéntricas claras y oscuras de colores muy similares a las ilustradas en la Figura 5. Newton reconoció que los anillos indicaban la presencia de cierto grado de periodicidad y usó esta observación para sugerir una teoría de luz ondulatoria. A pesar de ello, Newton consideraba la luz como una corriente de partículas.

Los anillos se producen debido a una fina capa de aire que existe entre las superficies de vidrio curvas, convexas y planas. La luz reflejada a partir de las superficies superior e inferior del vidrio, se superpone (combina) y produce patrones de interferencia que aparecen como anillos de colores. Los fabricantes de lentes suelen usar este principio para probar la uniformidad de grandes superficies pulidas.

Intensidad de interferencia y distribución de franjas

Las franjas de distribución en la intensidad de interferencia, tal como las observadas en el experimento de doble rendija de Young, varían en intensidad cuando se presentan sobre un fondo uniforme. Por otra parte, la visibilidad (V) de la intensidad fue definida por Albert Michelson, físico de principios del siglo XX, como la diferencia entre la intensidad máxima y mínima de una franja dividida por su suma:

donde I(max) es la intensidad máxima y I(min) es la intensidad mínima. A partir de esta ecuación, la intensidad de la franja idealizada siempre se encuentra entre cero y uno; sin embargo, en la práctica, la visibilidad de la franja depende del diseño geométrico del experimento y del rango espectral usado. Esta es la causa de una miríada de patrones de interferencia observados en eventos que ocurren naturalmente.

Los colores de interferencia que surgen a partir de las regiones de tensión de los materiales pueden ser observados fácilmente con luz polarizada. La regla de la Figura 6 está hecha de plástico y se observa a través de polarizadores cruzados. Bajo la luz normal, la regla parece translúcida con sus graduaciones claramente visibles. Sin embargo, cuando es observada bajo la luz polarizada, la regla muestra patrones de tensión que parecen más profundos en áreas que están más deformadas. Esto se debe a un alto grado de alineación entre las moléculas de cadena larga del polímero que compone la regla. Note que el mayor grado de birrefringencia se produce cerca del orificio del lado izquierdo de la regla.

Usos de la interferencia en el mundo real

Otros usos facilitados por la interferencia de la luz son las mediciones ejecutadas con láseres a través de largas distancias. En este caso, los láseres pueden usarse para medir distancias muy pequeñas a lo largo de muchos kilómetros. Esto se cumple si se divide el haz de láser y se capta su reflejo desde diferentes superficies. El análisis de las franjas de interferencia resultantes (al recombinar los haces láser separados) producirá un cálculo de notable precisión con respecto a la distancia entre los dos objetos.

Los hologramas también dependen de la interferencia de la luz para producir imágenes tridimensionales. En los hologramas de reflexión, tanto el haz de referencia como el que ilumina el objeto se reflejan en una película gruesa a partir de lados opuestos. Estos haces interfieren con el fin de generar áreas claras y oscuras que corresponden a una imagen de tipo tridimensional. Los hologramas de transmisión usan los haces de referencia y de iluminación de objetos en el mismo lado de la película para producir un tipo de efecto similar.

La interferencia también ocurre con las ondas acústicas y las ondas inducidas en un reservorio de agua estancada. En casa, es posible llevar a cabo un experimento de interferencia concreto y fácil al llenar un fregadero con agua y contar con dos canicas. Primero, deje que el agua se quede muy quieta; a continuación, y de forma simultánea, deje caer las canicas en el agua (entre 10 y 14 pulgadas de distancia) desde una altura de aproximadamente un pie. Al igual que con las ondas de luz, las dos canicas inducirán una serie de ondas en el agua que se propagan en todas las direcciones. Las ondas que se formarán en la zona, entre los puntos donde las canicas entraron en el agua, acabarán chocando. Si chocan al mismo tiempo, se sumarán constructivamente para formar una onda más grande, pero si chocan fuera de paso, se anularán destructivamente entre sí. ¡Inténtelo!