¿Cómo puede un sólido ser térmicamente transparente?
Las cámaras térmicas diseñadas para obtener imágenes de longitudes de onda entre 7 y 14 µm (que es el pico de la radiación del cuerpo negro en torno a la temperatura "ambiente") utilizan lentes de germanio, sulfuro de zinc, seleniuro de zinc o diversos vidrios de calcogenuro. Todos estos materiales de las lentes son sustancias sólidas, pero son prácticamente transparentes a la radiación térmica a las temperaturas del cuerpo negro en las que funcionan. ¿Cómo funciona esto?
Absorción de la luz
Los átomos y las moléculas contienen electrones. Piensa que estos electrones están unidos a los átomos por medio de muelles. Los electrones tienen una frecuencia natural a la que tienden a vibrar. Cuando una onda luminosa con esa misma frecuencia natural incide sobre un átomo, los electrones de ese átomo se pondrán en movimiento vibratorio. Si una onda luminosa de una frecuencia determinada incide en un material cuyos electrones tienen la misma frecuencia de vibración, esos electrones absorberán la energía. Los diferentes átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorberán selectivamente diferentes frecuencias de luz visible.
Reflexión y transmisión de la luz
La reflexión y la transmisión de las ondas luminosas se producen porque las frecuencias de las ondas luminosas no coinciden con las frecuencias naturales de vibración de los objetos, en lugar de vibrar en resonancia con una gran amplitud los electrones vibran durante breves períodos de tiempo con pequeñas amplitudes de vibración y la energía se reemite en forma de onda luminosa.
Si el objeto es transparente, las vibraciones de los electrones se transmiten a los átomos vecinos a través de la masa del material y se reemiten en el lado opuesto del objeto.
Si el objeto es opaco, las vibraciones de los electrones en la superficie del material vibran durante cortos periodos de tiempo y luego reemiten la energía como una onda de luz reflejada.
Una lente ideal, para cualquier frecuencia, transmite mucha más energía de la que absorbe o refleja.
La absorción puede ser un problema especialmente en las lentes de infrarrojos, ya que el coeficiente de expansión térmica (CTE) de la mayoría de los materiales de infrarrojos es de órdenes de magnitud superiores a los de los cristales visibles, lo que genera grandes cambios en el índice de refracción.
Al igual que en el caso de un doblete acromático, que utiliza un elemento positivo y otro negativo de materiales diferentes con cantidades iguales y opuestas de aberración cromática para corregir el color, habría que resolver la ecuación de un doblete atérmico para garantizar que se compensen los cambios de temperatura y se mantenga el enfoque. Los cálculos también deben compensar la expansión y la contracción del cuerpo del objetivo.
El uso de materiales más caros que el vidrio, difíciles de trabajar (tanto el esmerilado/pulido como los cálculos adicionales) y el reducido mercado de este tipo de lentes tienden a hacerlas extremadamente caras.
