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DISPOSITIVOS ÓPTICOS

Introdução e revisão

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Dispositivos ópticos

Conceitos e princípios

Dispositivo que cria, manipula ou mede radiação eletromagnética.

Existe alguma classificação? Categoria? Tipos? Wikipedia?

Dispositivos e/ou instrumentos? Lente, óculos, zoom,

microscópio, telescópio, etc...

Dispositivo óptico para mouse óptico?

Dispositivo óptico Real? Virtual?

• Lado óptico• Lado fotônico

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http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Optical_devices

Category:Optical devices

A

• [+] Astronomical observatories

I

• [+] Interferometers

L

• [+] Lasers• [+] Lenses

M

• [+] Microscopes• [+] Mirrors

O

• [+] Optical filters• [+] Optoelectronics

P

• [+] Photography equipment

P cont.

• [+] Planetaria• [+] Prisms

R

• [+] Refractometers

T

• [+] Telescopes

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168 nomesOptical instrument

AAN/PVS-14 AN/PVS-22 ARROW waveguide Acousto-optic modulator Optical amplifier AN/PVS-4 Arrayed waveguide grating Astrograph Optical attenuator Autocollimator

BBeam homogenizer Beam splitter Beam dump Binoculars Binoviewer Blazed grating Blink comparator Borescope

CCamera Camera obscura Camera lucida Catadioptric system Cathetometer Catoptric cistula Optical cavity Colorimeter (chemistry) Comparison microscope Contact image sensor Coronagraph CulpascopeDDepolarizer (optics) Diaphragm (optics) Dielectric wireless receiver Diffraction grating Diffuser (optics) Digicon

D

Dipleidoscope Distributed Bragg reflector Dome magnifier Driver's Vision Enhancer Dual speed focuser Dumpy level Dynameter

EEchelle grating EcoSCOPE Electro-absorption modulator Electro-Optix Electro-optic modulator Eye relief

FFaraday rotator Fiberscope Finderscope Focus finder

GGolf mirror GraphoscopeGround glass Gyro gunsight GyrotronHHaploscope Hartmann mask Hinman Collator Hollow cathode lamp HoloVID Holographic grating Hydroscope

IImage intensifier Image-stabilized binoculars Optical interleaver

JJeffree cell

KKaleidoscope Klevtsov-Cassegrain telescope Korean Commander's Panoramic Sight

LLaser Doppler Vibrometer Laser beam profiler Laser microphone Lens (optics) Light pulse generator Light table Liquid mirror Loupe Lovibond comparator Lyot stopMMETATOY User:MarkoZhuk09/SLMRewrite Maser Megalethoscope Mirror mount Modulating retro-reflector Optical modulator Monochromator Monocular Museum of Precinema

NNanolaser Night vision device Nuller

OOcculting disk Opera glasses Optical circulator Optical microcavity Optical modulators using semiconductor nano-structures Optical reader Optical tape

OOptical axis grating Optical flat Optical hybrid Optical isolator Optical power meter Optical ring resonators Optode

PPanoramagram Passive infrared sensorPeriscope Phased-array optics Photodetector Photometer Photomultiplier Photoresistor Phototube Polarimeter Polarimetry Polarizer Polychromator Polyrama Panoptique Pound-Drever-Hall technique Primary mirror Prism (optics) Prism coupler PseudoscopeQQ-Spoil Quantum well infrared photodetectorRRefractometer Remote camera Retroreflector Rhinoscope Ring laser gyroscope Rolling shutter

SScioptric ball Sight (device) Silver halide User:Slicky/Microscopy in science Solar-pumped laser Spatial filter Spatial light modulator Spectrophotometer Stanhope (optical bijou) Star diagonal Sun photometer

TOptical table Tachistoscope Teleidoscope Telescope Theodolite Time stretch analog-to-digital converter Tiny Ionospheric Photometer Total station Traditional handheld refractometer Tristimulus colorimeter Turbinlite

UUltrafast monochromator

VVideo camera Video magnifier Videoscope

WWave plate Wavelength selective switching Wright Camera

ZZograscope Zone plate

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Lente composta como dispositivo ergonômico

http://ergocab.com/merford_optical_device.html

Sem dispositivo ópticoDor de cabeça, coluna,... Com dispositivo óptico Dispositivo óptico

Lente de 3 segmentos

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As próximas 7 transparências representam

parte significativa de aplicações de

dispositivos ópticos na Indiana School for the

Blind and Visually Impaired

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Tipos de Dispositivos Ópticos

Dispositivos de Distânciasintra.isbrockets.org/teams/dept_outreach/2006-09_Update/index_files/typesofdistancedevices.ppt

Indiana School for the Blind and Visually Impaired

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Binoculares

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Monóculos

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Sistemas Biópticos de Campo Inteiro

Telescópio montado sobre óculos

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Sistemas Biópticos

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Filtro solar

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Visão Noturna

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Pinças ópticas e aplicações

http://129.215.76.37:8080/Plone/research/micromanipulation/optical-tweezers-and-applications

Ferramenta para micromanipulação sem contacto

Partículas microscópicas (10nm a 10um)

Armadilhadas no foco de um laser de baixa potência

Manipulados tridimensionalmente movimentando a amostra ou a armadilha.

Onde? Ciências biológicas e coloidais.

Como? Posicionadores nanométricos.

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http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers

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http://chu.berkeley.edu/dokuwiki/chu:research:optical_tweezers_tir

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Forças atuantes

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Pinças ópticas

                                                                         

Figure 1a) Lateral Trapping Figure 1b) Axial Trapping

Desde que a intensidade do feixe de laser apresenta um comportamento gaussiano na sua seção transversal, existem forças que empurram as partículas na direção de maior intensidade seja na transversal ou na longitudinal..

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Vídeos

• Optical tweezers 1

• Optical tweezers 2

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Importância

• No atual momento das comunicações e

sensoriamento, os dispositivos ópticos tem

uma relevância enorme no desenvolvimento

de novas técnicas através de novos

materiais (meta-materiais, nanoestruturas,

etc)

• Óptica e Fotônica

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Uma revisão geral

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Fibras Ópticas

Um pouco de história:

1.Sinais de fogo, fumaça, códigos visuais

2.1790 Claude Chappe, Paris-Lille (230 Km),

Semáforo = telegrafo óptico

3.1870 John Tyndall – jato de água

4.Alexander Graham Bell, Charles Sumner Tainter

- 1880 - Fotofone

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Semáforo

5 minutos para transmitir a uma distância de 190 km

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Mapa da França com semáforo

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O homem que guiou a luz. Daniel Colladon (38) professor na Universidade de Genebra demonstrou como guiar a luz em 1841.

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John Tyndall 1870, demonstração da reflexão interna total (TIR)

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Detalhes históricos

• Reflexão Total Interna(TIR) é atribuída a John Tyndall (1854 experimento em

Londres). Daniel Colladon o precursor não chegou a mostrar a TIR, mas

simplesmente como a luz pode ser guiada.

• Livro City of Light (Jeff Hecht, 1999) relata a historia do TIR.

• Primeira demonstração em Genebra em 1841 por Daniel Colladon

(Comptes Rendus, vol. 15, pp. 800-802, Oct. 24, 1842).

• A luz fica confinada ao longo do caimento da água.

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Graham Bell 1880 - fotofone primeira transmissão de voz, através de luz não guiada

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E o telefone?

•Fixo =========== via fio de cobre, ponto a ponto

•Sem fio ========= ondas de radio, celulares

•Via satélite ====== satélites geoestacionários

•VoIP =========== Voice Over Internet Protocol

1870 Elisha Gray e Alexander Graham BellBem antes do fotofone!

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Pq o fotofone não evoluiu?

• Que tipos de dificuldades para enviar a luz?

• O que houve com os fios de cobre?

• Atualmente ~10% das redes utilizam fibra óptica

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FIBRAS ÓPTICAS

• 1920 Independentemente - John Logie Baird (UK) e

Clarence W. Hansell (USA) – patentes sobre o uso de

arranjos de encanamentos ou tarugos transparentes

para transmissão de imagens ou fac-símiles.

• 1954 Independentemente - Abraham Van Heel

(Dinamarca) e Harold H. Hopkins (UK) – uso de maço

de fibras revestidas e não revestidas no transporte de

imagens.

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Fibras

Vantagens

1. baixa atenuação

2. largura de banda

3. Imunidade à interferência eletromagnética

4. baixo peso (vidro~2,5 g/cm3, cobre ~8,9 g/cm3)

5. sigilo

6. isolação elétrica

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Fibras

Desvantagens

1. acoplamento e emenda da fibra

2. derivações limitadas

3. padrão dos sistemas ópticos

4. fragilidade da fibra

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Guias de onda de luz

Duas categorias:

1. Bloco dielétrico – sanduíche

n1

n2

n3

Confinamento da propagação planar em n1

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Guias de onda de luz

2. Fibras ópticas:– De vidro ou plástico, de simetria cilíndrica– Com secção transversal anular

n1

n2

n1 > n2

GRIN

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FIBRAS ÓPTICAS

• Duas categorias:1. Índice de refração degrau (n1 é constante)

2. Índice de refração gradiente (GRIN). Diferentes tipos de gradientes conforme objetivos.

• Propriedades:1. Propagação confinada ao núcleo, n1, por reflexão

total interna, mesmo assim qdo a fibra é envergada ou enrolada

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GRIN

• GRIN – GRadient INdex

O índice de refração é função do raio

= diferença de índice relativo

a = raio do núcleo

= tipo de perfil do GRIN

perfil triangular

perfil parabólico

∞ perfil degrau

Trabalho: qual é a equação de propagação dos raios dentro da fibra para um caso do núcleo com índice de refração parabólico?

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Teoria de propagação

Ar

no

Meio externo da fibra: Ar

Fibra com índice de refração degrau

Aplicação da Lei de Snell em cada interface

A medida que 0 diminui i .......... Até atingir o ângulo c

= a qdo i = c

Todos os raios que incidem com ângulo menor que ase propaga na guia de onda por reflexão interna total.

n1

n2

n1 > n2

Abertura numérica NA de uma guia de onda, uma espécie de medida ou característica que mostra o quanto que a guia de onda consegue receber luz

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onde pela Lei de Snell sinc=n2/n1

Teoria de propagação

ArAr

no

n1

n2

n1 > n2

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Parâmetros numa fibra

Diferença de índice de refração entre núcleo e revestimento

Parâmetro V que determina o número de modos suportados por uma fibra. Caso

específico V<2.405 → monomodo

a é o raio do núcleo

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1.- Uma fibra óptica com um núcleo de vidro flint denso, n1 = 1,66, e um recobrimento de vidro crown, n2 = 1,52. Qual é o maior ângulo de abertura (metade do ângulo do cone de luz que entra na fibra) para que a luz que seja transmitida ao longo da fibra?

Alguns exemplos

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.....cont

≥ c onde c é o ângulo crítico para que o feixe

de luz seja totalmente refletido para dentro do

núcleo.

n1

n2

Notar que aumentando 1 diminui 3

A solução será ..........

Colocando 3 = c para determinar 1 utilizando a

lei de Snell

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....cont

n1

n2

Substituindo na primeira eq:

Sendo n1 = 1,66 e n2 = 1,56 O valor calculado de 1 é 42o

Em A:

Em B:

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Outro exemplo

2.- Qual é o raio de menor curvatura que podemos dobrar numa fibra óptica com núcleo de 0,05mm sem perder luz? O índice de refração do núcleo é 1,66 e da cobertura é de 1,52

Adotamos a suposição de que um feixe de luz ABCDE incide de forma colimada na fibra.

Observamos que o feixe E incide com o menor ângulo na interface núcleo/cobertura.

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.......Cont.

Adotamos a suposição de que um feixe de luz ABCDE incide de forma colimada na fibra.

Observamos que o feixe E incide com o menor ângulo na interface núcleo/cobertura.

Basta colocar esse ângulo como se fosse o ângulo crítico, evitando perdas.

Pela figura

Pela definição

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Várias configurações de fabricação

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Próxima Aula

• Descrição mais apropriada sobre a propagação da luz em guias de onda, tratamento ondulatório, através das eqs de Maxwell.