¿Qué materiales reflejan longitudes de onda de energía fuera del espectro de luz visible del sol?

Comenzaré con los fundamentos que se aplican de manera más general, y analizaré algo para gran parte del espectro electromagnético, con una sorpresa en los rayos X al final.

La reflexión, la refracción, la dispersión (el efecto de división de color de un prisma) y la absorción son fenómenos altamente relacionados y pueden describirse en su mayor parte con solo dos parámetros: la permitividad eléctrica ε y la permeabilidad magnética μ . De hecho, la mayoría de ellos se pueden describir principalmente con solo ε , así que me limitaré a describir todo en términos de ε .

Resulta que todo es al menos un poco reflexivo. La fórmula de reflexión de Fresnel proporciona la reflectividad de un material en función de los índices de refracción de los materiales en cuestión.
donde los valores de θ son los ángulos en los que la onda electromagnética golpea la superficie, y los valores de n son, para materiales no magnéticos, iguales a √ ε .

El truco aquí es que el mismo material no tiene la misma ε para cada frecuencia, y ni siquiera necesita ser positivo o real.

Aquí hay una curva típica para ε sobre el espectro de frecuencia de RF a óptico para un dieléctrico (no conductor):
(Crédito de la gráfica: Materiales de polímero dieléctrico)
La línea roja es la parte real, que es el factor principal en la velocidad de la onda, y la línea azul es la parte imaginaria, o la cantidad de energía que se pierde a través del material.

Y aquí hay uno para un conductor ideal:
Crédito: Problemas en electrodinámica: Modelo de Drude: Derivando la conductividad y la permitividad de los metales.
ω_p es la frecuencia de plasma del metal, o la frecuencia a la que el desfase entre el movimiento del electrón y la onda electromagnética que golpea el metal es inferior a 90 grados. Pero esa es otra discusión. Por encima de la frecuencia plasmática, la permitividad es positiva y debajo de ella la permitividad es negativa.

Cuando la permitividad del material es negativa, entonces, a menos que la permeabilidad magnética sea también negativa, será casi un 100% reflectiva ya que el material no soportará la propagación de la onda.

Observe cómo ε cambia con la frecuencia.

Hay dos cosas para hacer algo reflexivo:
1) Tener una permitividad negativa, o
2) Tener una muy alta permitividad.

Al usar pilas o estructuras de diferentes materiales, puedes hacer algo altamente reflectante, pero ese es el tema de los cristales fotónicos (mira mi respuesta a Física: ¿Qué son los cristales fotónicos y cuáles son sus aplicaciones?).

Ahora, acerca de la dispersión cromática (lo que estás pensando en un prisma), lo que estás buscando es un material con una ε positiva y altamente cambiante en el rango de frecuencia de interés.
Dado que para la refracción, la ecuación es
entonces, si n es diferente en el rango de frecuencias de interés, se obtendrá un ángulo diferente para cada frecuencia.

Ahora para algunos materiales comunes:

RF: Los metales reflejan la RF extraordinariamente bien gracias a que los metales tienen una permitividad negativa en ese rango. Algunos materiales refractivos comunes son la cera de parafina y varias otras ceras, así como muchos tipos diferentes de fibra de vidrio, como el FR-4 que se usa en las placas de circuitos. La dispersión cromática en RF no se usa comúnmente, ya que no hay resonancias agudas donde n cambia rápidamente con la frecuencia en ese rango, además de que es mucho más fácil filtrar con elementos de circuitos y estructuras resonantes.

IR: Algunos de los materiales más interesantes en IR son en realidad opacos a la luz visible. El arseniuro de silicio y galio es transparente al IR. Edmundoptics vende prismas IR hechos de fluoruro de calcio, germanio y selenuro de zinc. Para reflejar el IR, los metales todavía funcionan bien pero tienen más pérdidas (aproximadamente 90% de reflectancia).

UV: el ultravioleta es un poco más complicado porque las pérdidas por absorción aumentan en ese rango, pero el vidrio de sílice fundido es el truco para los prismas. Para los reflectores, querrá usar la reflexión interna total (lograda por la geometría del prisma) ya que la mayoría de los metales tendrán mucha más pérdida, ya que muchos metales tienen una frecuencia de plasma en el rango UV.

Radiografía:
Ahora esto es realmente interesante. ¿Recuerdas ese modelo de drude para la permitividad de los metales? Resulta que a frecuencias extremadamente altas, todo parece obedecer al modelo de Drude y tiene un índice de refracción ligeramente más bajo que 1. Esto significa que puede construir lentes para rayos X, aunque serán lentes con muchas pérdidas. Dado n <1 , para hacer una lente convergente lo haría cóncavo (en lugar de convexo para una lente óptica) y para un lente divergente (casi nunca hecho en rayos X) lo haría convexo. Por lo general, estas cosas están hechas de aluminio muy delgado o, en algunos casos, podrían hacerse con berilio, ya que transmite mejor los rayos X (pero no se sostienen tan bien estructuralmente: el berilio se usa generalmente para delgados [~ 10-30] micron [espesor]] ventanas de rayos X debido a su alta transparencia para reducir los rayos X de energía, mientras que se necesitan energías más altas para penetrar en las profundidades más gruesas del aluminio).

Para hacer un reflector para rayos X, debes tener cuidado con los ángulos. Dado que el índice de refracción es ligeramente inferior a 1, puede obtener una reflexión interna total y el aire es el material del índice más alto. Algo más alto que eso y los procesos de absorción y dispersión dominarán y no parecerá que se reflejen más.

Para dividir los rayos X por energía (“color”), no hay prisma o dispersión refractiva como se ve en la óptica. Sin embargo, en las estructuras de cristal, el espacio entre los átomos es el adecuado para hacer difractar los rayos X , que es otra forma de dividir los “colores”.

En cuanto a qué materiales usar para diferentes aplicaciones, depende de su aplicación. Recomiendo echar un vistazo a los sitios web de algunos proveedores de componentes ópticos (Edmund Optics, Newport Optics, Thor Labs y algunos otros lugares) para averiguar qué utilizan para sus partes.

* 3 segundos 60 Hz, 80 DbM suena el zumbador *

La luz es, por definición, dentro del espectro de los Soles …

Tal vez usted quiere decir: “¿Qué sustancias reflejan (o actúan como” prismas “para) energía fuera del espectro de luz visible”?

Si bien no soy uno de ellos, hay varias personas aquí que podrían responder eso … también, con la nueva redacción, Wiki podría ofrecer una respuesta superficial.