¿Pueden interferir visiblemente los haces de luz (por ejemplo, de un láser) si se cruzan en el aire?

Question

Me pregunto si podrían existir dos o más fuentes de luz específicas (en términos de frecuencia, longitud de onda, etc.) y capaces de transmitir "luz" visible o invisible, y donde los haces se cruzan entre sí, pueden tener una indicación visible (a simple vista) de interferencia.

Obviamente, esto no funciona con -por ejemplo- luz láser normal. Así que estoy buscando si es posible en absoluto y si es así, ¿qué tipo de luz que se requiere.

Gracias, señor.

*por aire medio asumo aire regular como en nuestra biosfera.

Muy con ilustraciones sencillas:

Answer 1

La palabra "interferencia" se utiliza a menudo para designar los patrones que resultan de la suma o anulación de las ondas cuando están en fase o desfasadas. Otras respuestas a esta pregunta se han centrado sobre todo en otra cosa: la posibilidad de que una onda luminosa cambie la dirección de otra, lo que sólo ocurriría con haces muy intensos en el aire, y con haces muy intensos en el vacío. Sin embargo, la interferencia de ondas ordinarias se produce siempre que dos ondas de luz se superponen, así que sí, este tipo de interferencia se produce cuando se cruzan dos rayos láser. Lo único que ocurre es que no se detecta con la vista humana porque el patrón de interferencia se mueve demasiado deprisa, y la escala del patrón es cercana a la longitud de onda de la luz, por lo que nuestros ojos no pueden detectarlo sin la ayuda de un microscopio.

Para conseguir que el patrón de interferencia deje de moverse tan rápidamente se necesitan fuentes de luz con una frecuencia muy bien definida (o ancho de banda estrecho, como decimos nosotros). El patrón de interferencia se desplaza a través de una longitud de onda en un tiempo dado aproximadamente por la inversa de la dispersión de frecuencia de la luz. Para un láser típico, el ancho de banda es de muchos megahercios, por lo que este tiempo es inferior al microsegundo. En este caso, la interferencia se elimina en una escala de tiempo mucho más rápida de lo que el ojo humano puede responder, por lo que no se ve. En un laboratorio de física atómica y óptica de alta precisión se pueden conseguir láseres con anchos de banda del orden de hercios o menos. Con ellos, el patrón de interferencia puede ser lo suficientemente estable como para que el ojo humano lo detecte con la ayuda de un microscopio.

Answer 2

Según entiendo la pregunta, le gustaría saber si franjas de interferencia u otros indicios de interferencia pueden producirse **en el aire* debido a la intersección de dos haces luminosos. La respuesta es "sí".

En el enlace que has proporcionado, dos haces se cruzan para proporcionar una región de alta intensidad donde la densidad de potencia de la luz es lo suficientemente alta como para ionizar el aire. No se trata de una interferencia en el sentido que le dan los físicos ópticos. Sin embargo, en determinadas condiciones, un experimento muy similar se producir interferencias. Específicamente:

• los haces deben ser coherentes entre sí
• los haces deben ser pulsados, en pulsos lo suficientemente breves como para que no se produzcan cambios significativos debidos al calentamiento del aire.
• el umbral de ionización debe ser bastante agudo (un pequeño cambio en la densidad de potencia debe producir un gran cambio en la ionización)
• el tiempo de ionización -es decir, el retardo entre la absorción de la luz y su emisión- debe ser corto en comparación con la distancia que recorren las moléculas de aire (calentadas por los haces de luz) durante la duración del pulso.

Si se cumplen todas estas condiciones, la potencia de los dos haces puede ajustarse de modo que la ionización se produzca donde las amplitudes de los haces se suman (donde las fases son iguales), pero no donde las amplitudes de los haces se restan (donde las fases son 180 grados diferentes). En ese caso, la fotoemisión se producirá sólo en las regiones donde se produce la ionización, que estarán en los planos de interferencia constructiva.

Además, si las potencias de los haces se ajustan de modo que simplemente duplicando la potencia del haz incidente no se pueda provocar ionización y fotoemisión, pero cuadruplicando la potencia se causan ionización y fotoemisión, entonces la presencia de fotoemisión brillante será una fuerte evidencia de que la ionización se debe a la interferencia coherente de los dos haces. Esto se debe a que la densidad de potencia en cualquier punto es proporcional a la cuadrado de las amplitudes sumadas de los haces en ese punto.

Obsérvese que la ionización no es necesaria: cualquier proceso de fotoabsorción no lineal dependiente de la intensidad producirá franjas de interferencia "en medio del aire" que, a su vez, pueden producir efectos visibles.

Answer 3

Respuesta corta: Probablemente no, con la pequeña incertidumbre que emana de la vaguedad de su término "medio aire".

Respuesta completa: Me gustaría hacer tres observaciones:

1. En el vacío, la respuesta sería "definitivamente no". Si se resuelven las ecuaciones de Maaxwell para la propagación de ondas electromagnéticas, los campos correspondientes a cada onda simplemente se superponen linealmente; no hay forma de que una onda influya en la trayectoria o la intensidad de la otra.

2. Lo mismo ocurre en un medio cuyo índice de refracción es independiente de la intensidad de la luz que lo atraviesa. En prácticamente todas las circunstancias realistas, el aire es un medio lineal.

3. Pero cuando la luz que atraviesa un medio se vuelve extremadamente intensa, la respuesta a su campo electromagnético por parte de los electrones y núcleos de los átomos del medio puede volverse no lineal, dando lugar a un índice de refracción que depende de la intensidad del campo. En este caso, un haz de luz puede cambiar el índice de refracción "visto" por el otro, lo que provoca un cambio de trayectoria. Este fenómeno se denomina modulación de fase cruzada (XPM) . Lamento no poder ser más específico, pero los escabrosos detalles implicados requieren una formación en un campo llamado óptica no lineal que no estoy preparado para dar aquí.

¿Qué haría falta para lograrlo? Como ya he dicho, luz láser extremadamente intensa, comprimida en pulsos de femtosegundos, puede en un medio suficientemente no lineal. Pero es casi seguro que el aire no es ese medio, así que en la práctica, es casi seguro que no va a suceder. Lo que nos lleva de nuevo a mi respuesta corta.

Answer 4

En el caso de los láseres "ordinarios" (luz visible, milivatios de potencia), pasarán unos a través de otros sin franjas ni otras interacciones.

Para los láseres potentes que tienen longitudes de onda en las que el aire se calienta a su paso, entonces interactuarán indirectamente, calentando el aire a lo largo de sus trayectorias y en su punto de intersección, cambiando así su índice de refracción.

En niveles de energía muy altos, los fotones pueden interactuar más directamente, como ha señalado Safesphere.