La óptica de rayos (Ray Optics), es una técnica utilizada para modelar la trayectoria de los rayos de luz a medida que interactúan con diferentes materiales. Esta técnica simula el comportamiento de la luz, incluyendo reflexiones, refracciones y difracciones, proporcionando una representación realista de cómo la luz se propaga y se distribuye en un entorno. Originalmente popularizado en la industria de los gráficos por ordenador para generar imágenes y efectos visuales fotorrealistas, la óptica de rayos ha encontrado aplicaciones vitales en campos como la óptica, la fotónica y la ingeniería electromagnética.

El uso de la óptica de rayos en simulaciones físicas depende de ciertas suposiciones relacionadas con el tamaño del objeto en comparación con la longitud de onda de la luz u otras ondas electromagnéticas. Aquí se detallan los criterios físicos clave para aplicar óptica de rayos en COMSOL:

Relación tamaño del objeto y longitud de onda

La óptica de rayos es más efectiva cuando los objetos o estructuras que se están simulando son mucho más grandes que la longitud de onda de la luz u onda electromagnética en cuestión. Esto se debe a que la óptica de rayos trata la luz como rayos geométricos, lo cual es una buena aproximación cuando la longitud de onda es pequeña en comparación con las dimensiones del objeto [1]. En términos generales:

• Región geométrica: Se aplica cuando las dimensiones características del objeto (como el diámetro de una lente o el tamaño de un espejo) son al menos diez veces mayores que la longitud de onda. Por ejemplo, para la luz visible (longitud de onda entre 400 nm y 700 nm), Ray Optics es apropiado para simular objetos con dimensiones en el rango de micrómetros a metros.
• Región de aproximación de alta frecuencia: También conocida como la aproximación de rayos, se usa cuando la longitud de onda es lo suficientemente pequeña como para que los efectos de difracción y interferencia sean insignificantes.

Figura 1: Relación entre tamaño de objeto y longitud de onda [1] y las diferentes aproximaciones aplicables.

Ejemplo de aplicación: Monocromador Czerny-Turner

Un monocromador Czerny-Turner separa espacialmente la luz policromática en una serie de rayos monocromáticos. Este modelo simula una configuración cruzada de Czerny-Turner que consta de un espejo colimador esférico, una rejilla de difracción plana, un espejo de imagen esférico y un detector de dispositivo de carga acoplada (CCD). El modelo [2] utiliza la interfaz de Óptica Geométrica para calcular las posiciones de los rayos incidentes en el plano del detector, a partir de las cuales se puede derivar la resolución del dispositivo.

La Figura 2 muestra las trayectorias de los rayos en el espectrómetro. La longitud de onda en espacio libre está indicada por la expresión de color. Después de que los rayos se reflejan por la rejilla, los rayos de diferentes frecuencias se propagan en diferentes direcciones y llegan a diferentes ubicaciones en el detector CCD.

Figura 2. Separación de la longitud de onda en el detector CCD.

El módulo de Ray Optics de COMSOL Multiphysics representa un avance significativo en la capacidad de simulación óptica y electromagnética. Esta técnica permite a los usuarios modelar con gran precisión la propagación de la luz y otros fenómenos ondulatorios en medios complejos, facilitando el diseño y optimización de dispositivos avanzados en diversas industrias. La capacidad de manejar sistemas ópticos complejos y mejorar la precisión de las simulaciones promete impulsar la innovación y el desarrollo tecnológico en múltiples campos.

Referencias

[1] Blog de COMSOL: Guide to Frequency Domain Wave Electromagnetics Modeling
[2] Galería de aplicaciones de COMSOL: Czerny–Turner Monochromator