Isabel Godinho | DMET | 20 maio 2015

MEDIR COM LUZ

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Resumo

• Dia Mundial da Metrologia - Convenção do Metro

• Conceitos Metrológicos da Luz

• Luz na Metrologia

No IPQ

Na Sociedade

• Perspetivas de I&D

Isabel Godinho| DMET 2015-05-20

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Dia Mundial da Metrologia

AG Nações Unidas, a UNESCO e outros organismos científicos

anunciaram 2015 como o

Ano Internacional da Luz e das Tecnologias baseadas na Luz

O dia 20 de maio é consagrado pela comunidade metrológica

internacional como o Dia Mundial da Metrologia

As Medições e a Luz celebrando a assinatura da Convenção do Metro em Paris

Reconhecimento do papel essencial e transversal da Luz e das Tecnologias baseadas na

Luz, na vida quotidiana, na ciência, na tecnologia e na cultura

Convenção do Metro

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1875 - Portugal assinou a Convenção do Metro grupo de 17 países signatários

2ª CGPM - 1895

H. de Macedo – Delegado Português

• Estabelece o quadro para a colaboração global na ciência da medição e suas aplicações aos setores da industria, do comércio e social

• Objetivo - Uniformidade Mundial de Medição continua tão importante hoje como era em 1875

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Cópias n° 10 do metro e do quilograma-

padrão atribuídos a Portugal

Convenção do Metro

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A adoção de um Sistema de Unidades de medida

Sistema Internacional de Unidades (SI) - 1960

A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório

Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para

desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de

medida apropriados às respetivas necessidades nacionais

Convenção do Metro

Decreto-Lei n.º 128/2010, de 3 de dezembro

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Convenção do Metro

A adoção de um Sistema de Unidades de medida

Sistema Internacional de Unidades (SI) - 1960

Esse sistema compreende:

A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório

Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para

desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de

medida apropriados às respetivas necessidades nacionais

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Sistema Internacional de Unidades - SI

Redefinição do SI - prevista para 2018

• Unidades de base do SI definidas através de constantes físicas e

atómicas, realizadas através de efeitos quânticos

• Metrologia baseia-se em padrões universais e imutáveis

independentes do tempo e do espaço

quilograma - constante de Planck h

kelvin - constante de Boltzmann k

ampere - carga elementar e

mole - constante de Avogadro NA

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A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório

Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para

desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de

medida apropriados às respetivas necessidades nacionais

Convenção do Metro

A adoção de um Sistema de Unidades de medida

Sistema Internacional de Unidades (SI) - 1960

Esse sistema compreende:

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Departamento de Metrologia • Metrologia Científica

• Metrologia Aplicada

• Metrologia Legal

• Museu de Metrologia

• 3,5 M€ de Receitas Correntes

• 727 Entidades Qualificadas para o Controlo Metrológico Legal

• 300 Clientes de Metrologia Aplicada

• 21 Aprovações de Modelo

• 39 Diplomas Regulamentares em Vigor

• Museu: espólio 3 000 peças e documentos;

• 1964 Visitantes Museu (ensino básico)

• 52 Domínios laboratoriais

• 31 Técnicos (85 % com grau universitário)

• 2 200 m2 Laboratoriais

• 1 394 Calibrações

• 160 Preparações e Certificações de Materiais de Referência

• 1050 Verificações de Controlo Metrológico

• 183 Capacidades de Medição e Calibração 21 Matrizes

• 150 Comparações Interlaboratorias Internacionais e 102 Nacionais

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Conceitos Metrológicos da Luz

• A luz tem um lugar central na vida e na cultura humana,

desde a utilização do fogo pelos povos primitivos, sendo

a pintura e a escultura uma das manifestações mais

comuns

• Todas as artes mais recentes historicamente que a

pintura e a escultura - cinema, fotografia, banda

desenhada…, são dependentes da luz e da visão

• Astronomia e os instrumentos a ela associados que permitiram

determinar a posição das estrelas

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Conceitos Metrológicos da Luz

• Durante muito tempo, o estudo da luz vindo das estrelas foi a única fonte de informação sobre o movimento e a constituição dos astros

• Foi também a partir dessas primeiras observações que se deduziram as primeiras medições do tempo, dando posteriormente origem aos calendários

• A invenção do microscópio (Hans Janssen – 1590) e do telescópio (Galileu Galilei - 1609), marcaram a revolução científica do século XVI e XVII, impulsionando o desenvolvimento da biologia e das ciências da Terra

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Conceitos Metrológicos da Luz

• A evolução do conhecimento sobre a

formação das imagens potenciou a

teoria da ótica de Fourier, que está

na origem da holografia e dos discos

digitais

• No início do século XX, o estudo das

propriedades da luz esteve na base da

invenção e do desenvolvimento e da teoria

da relatividade e da mecânica quântica

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• A noção de quantum de energia permitiu explicar a distribuição

espectral da luz emitida por um corpo incandescente base das

conceções atuais da estrutura e das propriedades da matéria

Conceitos Metrológicos da Luz

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Conceitos Metrológicos da Luz

Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation

• Os progressos neste último domínio levaram à invenção do laser

(Gordon Gould- 1957) e ao estudo das propriedades não-lineares

da interação luz-matéria

Para concentrar o ganho

3 % para He-Ne

+ _

Ne

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Conceitos Metrológicos da Luz

• A ótica integrada tem seguido os passos da

eletrónica, tornando possível o transporte por fibra

ótica, de grandes quantidades de informação, com

perdas residuais de energia em percursos da ordem

de vários milhares de km

O sinal é transformado em luz, através de conversores integrados nos transmissores:

• Laser - fibras monomodo telecomunicações > 1 km

• LED - fibras multimodo diâmetro superior, telecomunicações curta distância

ou para transmitir uma quantidade elevada de potência

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Conceitos Metrológicos da Luz

É possível considerar três modelos para descrever os domínios da metrologia da luz :

Modelo da ótica geométrica – feixe de luz • A luz movimenta-se em linha reta, dando origem aos raios luminosos

• Os raios luminosos constituem um instrumento ideal para definir alinhamentos, referenciar posições e medir ângulos

• São materializados por um feixe laser, que pode percorrer distâncias da ordem da dezena até à centena de metros

• Aplicações da ótica geométrica:

medição do índice de refração

Refratometria: utilizada, por exemplo,

na determinação da concentração de açúcar

na indústria vitivinícola

• As radiações visíveis - consideradas nos fenómenos da ótica permitem interpretar e efetuar medições interferométricas de elevada exatidão

Frequência: 395 THz a 790 THz

Comprimento de onda : 380 nm a 760 nm

Energia: 1,7 eV a 3 eV

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Conceitos Metrológicos da Luz

Modelo da ótica ondulatória Ótica física ou Ótica quântica

• A luz é uma radiação eletromagnética caracterizada por

uma variação periódica de um “vetor luminoso”

perpendicular à direção de propagação , definida pela

frequência n , energia E, ou comprimento de onda l

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Conceitos Metrológicos da Luz

As aplicações da velocidade da luz obedecem às leis da ótica geométrica mas

também ao modelo ondulatório:

• LIDAR (Light Detection And Ranging): tecnologia ótica de

deteção remota que mede propriedades da luz refletida de modo

a obter a distância e informação de objetos medição de

distâncias em geodesia, em estudos atmosféricos, telemetria ou

identificação de alvos no setor militar

• Formação de imagens

• RADAR (Radio Detection And Ranging):

deteção objetos a longas distâncias

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Conceitos Metrológicos da Luz

• A interferometria é uma das técnicas mais exatas determinação de uma fração

do comprimento de onda associado à radiação emitida pelo laser nm Espelho Referência

Espelho Medição

2 feixes interferem com uma amplitude que depende da fase

Interferómetro Michelson

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Espelho

Referência

Espelho Medição

Conceitos Metrológicos da Luz

Alvo Estático: Medição Distância através medição FASE

Alvo Movimento: Contagem FRANJAS

d = (ff / f) (l / 8)

l

22d

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Conceitos Metrológicos da Luz • O caráter vetorial das ondas introduz métodos baseados sobre os estados de

polarização da luz que influenciam o seu comportamento quando em interação

com a matéria, dando origem à polarimetria (a ciência da medição da polarização

da luz) e à elipsometria (polarimetria das superfícies)

• A ação sobre a luz polarizada pode ser intrínseca ao material ou induzida, dando

origem à fotoelasticimetria (técnica para medir deformações)

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Conceitos Metrológicos da Luz

O terceiro modelo considera as medições das grandezas derivadas da energia associada à luz, quer através da visão, ou de recetores físicos

• Fotometria: está associada à iluminação • Espectrofotometria: é uma das ferramentas mais eficazes de análise, utilizada na

astronomia, na ciência dos materiais e na biologia • Pirometria: medição de temperatura sem contacto • Colorimetria - medição das cores: aplicações nos setores das tintas e corantes,

alimentar, saúde e artes • Optoelectrónica: associada à informática - tem criado novas perspetivas para

comunicações mais fiáveis e com melhor desempenho

Medição da luz • iluminância Unidade SI: lux • fluxo luminoso Unidade SI: lúmen • intensidade luminosa Unidade SI: candela

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A implementação de fontes e de detetores monofotónicos tem

possibilitado o desenvolvimento de uma nova tecnologia quântica,

baseada em tecnologias de ótica quântica

Conceitos Metrológicos da Luz

Max Planck (1899): refere que luz podia ser quantificada - modelou a radiação do corpo negro, assumindo que a troca de energia entre a luz e a matéria ocorria em quantidades discretas quanta

Criptografia Quântica - Teletransporte Quântico - Computação Quântica

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Realização da definição do metro

comprimento de onda no vazio l, de uma onda plana eletromagnética de frequência

f , obtido a partir da medição de f utilizando a relação l = c0 / f

metro (m) - Unidade de Base do Sistema Internacional da Grandeza Comprimento

O comprimento do trajeto percorrido pela luz, no vazio, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458

do segundo. (17ª CGPM, 1983)

Luz na Metrologia - IPQ

• Incerteza relativa de calibração 10-11

• Uma só frequência padrão (473 THz)

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Prémio Nobel da Física em 2005 Roy Glauber - descrição teórica da física quântica aplicada à ótica

John Hall Theodor Hänsch - pesquisa e desenvolvimento na área de espectroscopia laser com a técnica de geração de pentes de frequências de femtosegundo e sintetização de frequências óticas

Evolução das técnicas de medição e consequentemente a evolução da realização

prática da definição do metro

• Sintetizador de Frequências Óticas (SFO), permite a geração de qualquer frequência do

espectro ótico (em vez de apenas uma, como a emitida por laser He-Ne), com uma incerteza

relativa próxima da do oscilador de césio (10-15)

• O SFO relaciona uma frequência ótica com uma frequência de 10 MHz, emitida pelo

oscilador de césio

Luz na Metrologia - IPQ

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Sintetizador Frequências Óticas Laser Femtosegundo (Gerador de Impulsos) Ti:Safira, capacidade de emitir um feixe laser pulsado com

l de 800 nm, com impulsos inferiores a 12 fs separados por uma frequência de repetição,

+ Interferómetro não linear + Fibra ótica não linear microestruturada

frep f0 fbeat

Laser

externo

flaser= n fr fo fbeat

r

cn

fl

n - número de modos acoplados, que para uma determinada frequência de repetição, contribuem para o batimento

Luz na Metrologia - IPQ

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Luz na Metrologia - IPQ

Laser IPQ2 Laser IPQ3

Relógios atómicos 10 MHz Incerteza 10-13

Sintetizador de Frequências Óticas

Realização prática do metro

• Blocos-padrão • Interferómetros

• Máquinas de medição de coordenadas

• Paquímetros

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Comparação de Lasers

Frequência de batimento fbeat= fLR-fL

• Consiste em medir a frequência de batimento produzida pela sobreposição dos dois feixes sintonizando em duas frequências distintas, da risca do espectro de absorção da célula de 127I2, e medindo a frequência de batimento.

• Conhecendo a frequência de um dos lasers e medindo a frequência de batimento obtém-

se a frequência do outro laser

Luz na Metrologia - IPQ

Luz na Metrologia - IPQ

Laboratório de Fotometria do Instituto

Português da Qualidade é responsável pela

manutenção do padrão nacional da candela e

de grandezas derivadas, assegurando a

disseminação e a rastreabilidade metrológica

dos resultados de medição ao SI Banco fotométrico (3,5 m) do Laboratório de Fotometria do IPQ

candela (cd) - Unidade de Base do Sistema Internacional da Grandeza Intensidade Luminosa

A intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de

frequência 540 1012 Hz e cuja intensidade energética nessa direção é 1/683 watt por esterradiano

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Padrões nacionais do metro e do segundo + padrões internacionais

Lâmpadas, fotómetros, luxímetros Espectrofotómetros, filtros,

• Fotometria e Radiometria realização do padrão nacional da candela e calibração de

instrumentos de medição fotométricos e radiométricos (lâmpadas-padrão e fotómetros)

• Refratometria padrões nacionais de índice de Refração (Calibração refratómetros para fase

líquida, Certificação de soluções padrão)

• Radiofrequêcia Ensaios de Controlo Metrológico de cinemómetros de fiscalização de limites

de velocidade rodoviária

Luz na Metrologia - IPQ

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Laboratório de Fotometria

Luz na Metrologia - IPQ

CMC na KCDB do BIPM (desde 2015-01-13)

• Calibração de Lâmpadas em Intensidade Luminosa, entre 50 cd e 1000 cd

• Calibração de Fotómetros

• Calibração de Luxímetros em iluminância, entre 5 lx e 1000 lx

Urel = 1,6 %

EURAMET PR-K3a Luminous Intensity

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Luz na Metrologia - IPQ

aceleração (a) Unidade derivada do Sistema Internacional - m · s-2

A rastreabilidade nacional assegurada pela implementação de um sistema

experimental de calibração absoluta de acelerómetros, por interferometria laser

com deteção homodina

• excitação sinusoidal e interferómetro de Michelson permitindo determinar o

valor de aceleração em função do número de máximos ou mínimos de

intensidade do sinal ótico

• Intervalo de medição: 40 Hz - 800 Hz

• Valores de incerteza expandida < 1 %

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Luz na Metrologia - IPQ

l

22d

Franjas espaciais - alternância sinusoidal de máximos e mínimos de intensidade.

d = (ff / f ) (l / 8)

a = (2 f)2 d

Luz na Metrologia - Sociedade

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Medicina - A utilização do laser em cirurgia de

elevada precisão, oftalmologia, estética, e aplicações

médicas de tratamentos e diagnóstico

Aplicações LASER

Militar e Defesa • Laser e dispositivos de elevada potência utilizados

para afetar, por ação direta, os alvos e levar à sua destruição • Marcação de alvos • Sistemas de defesa contra mísseis, foguetes e morteiros

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Segurança - Imagens holográficas de

identificação e segurança

Cultura - leitura de DVD e CD por laser

revolucionou a produção, banalizando o

consumo na sociedade moderna

Luz na Metrologia - Sociedade

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Códigos de Barras • Tecnologia de leitura de códigos de barras

generalizados a variados tipos de identificações

Telecomunicações • Lasers ultravioleta para fabricar

microestruturas eletrónicas - chips de computador

• Lasers de díodo de pequenas dimensões - telecomunicações de banda larga através de fibras óticas

Luz na Metrologia - Sociedade

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Perspetivas de I&D

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• Iluminação otimizada das cidades através de iluminação de estado sólido - LED

• Produção de energias limpas Tecnologias Fotovoltaicas Solares

• Estudo das alterações climáticas medição direta da energia solar a partir de satélites, apoiando a compreensão da contribuição da irradiância solar na alteração do clima

Perspetivas de I&D

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Perspetivas de I&D

Dispositivos emissores de luz - LED

• Em 2004, mais de 10 % da energia elétrica produzida era utilizada para a iluminação, maioritariamente

com lâmpadas de incandescência

eficiência energética 5 %

emitem 27 % de radiação na região espectral

do visível

• Em 2012 (indicação da Comissão Europeia), as lâmpadas por incandescência passaram a ser

substituídas por lâmpadas fluorescentes (Hg) e

lâmpadas de halogénio, de maior eficiência

energética

• Dispositivos emissores de luz (LED) - lâmpadas de estado sólido (SSL) dobro da eficiência energética das lâmpadas fluorescentes

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Perspetivas de I&D

• ENG05 Lighting - Metrology for Solid State Lighting (IPQ) Contribuiu para a implementação em grande escala e aplicação de SSL e para poupança de energia através do desenvolvimento, validação e divulgação de metrologia adequada para a caracterização inequívoca de produtos de iluminação de estado sólido

• ENG62 MESaIL - Metrology for efficient and safe innovative Lighting

Estudo e desenvolvimento da metrologia de OLED / matrizes OLED e SSL pulsada e satisfazer as necessidades metrológicas para sistemas LED nano-estruturados e flexíveis.

OLED (organic light-emitting diode) em que a camada de emissão eletroluminescente é um filme orgânico que emite luz em resposta a uma corrente elétrica. Esta camada de semicondutor orgânico fica situado entre dois elétrodos (1 transparente) - usados em écrans digitais

EURAMET - EMRP

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• SIB58 Angles - Angle metrology

EURAMET - EMRP

Realização prática da mensuranda radiano e a disseminação da unidade: desenvolvimento da metrologia angular (autocolimadores, refletores), sistemas de posicionamento angular para disseminação da unidade de ângulo

plano - radiano, através do método da divisão do círculo - incertezas de calibração < 0,01

• SIB60 Surveying - Metrology for long distance surveying

Perspetivas de I&D

Melhorar a rastreabilidade e reduzir a incerteza da medição de longas distâncias

( 600 m) melhorar a base metrológica associada à Topografia,

Geodesia e Ciências da Terra

Laser Femtosegundo – Metrologia de Longas Distâncias: Incerteza 10-7 para distâncias de 50 m

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Perspetivas de I&D

EURAMET - EMRP

• SIB02 Comparing clocks across Europe

Utilização de fibra ótica (em vez de satélites):

Desenvolvimento de métodos para comparar remotamente relógios óticos, separados por distâncias de até 1500 km

Objetivo: • reduzir a contribuição da ligação por fibra ótica para a incerteza da

calibração de frequência • contribuir para a redefinição do segundo e a disseminação do tempo

atómico através de fibra ótica, contribuindo para backups de sincronismo GPS em redes de energia e redes móveis de telecomunicações

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EMRP Call 2009 - Energy

Perspetivas de I&D

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Perspetivas de I&D

EMRP Call 2010 - Environment

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Perspetivas de I&D

EMRP Call 2013 - Energy & Environment

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Perspetivas de I&D

EMRP Call 2013 - Energy & Environment

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Obrigada pela vossa atenção Isabel Godinho – IPQ 2015-05-20