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Tópico 9 – Propriedades Ópticas – Parte II

Prof. Romis Attux – DCA/FEEC/UNICAMP

Primeiro Semestre / 2017

Obs.: O conteúdo dos slides se baseia fortemente no livro texto [Callister, 2011].

EE410 - Turma A - Prof. Romis Attux

Luminescência

• Alguns materiais são capazes de absorver energia e reemitir luz visível num fenômeno denominado luminescência. A luz emitida é composta por fótons gerados por transições eletrônicas no sólido.

• Absorve-se energia pela promoção de um elétron para um estado excitado. Emite-se luz visível pelo decaimento de um estado de maior energia para um estado de menor energia com 1,8 eV < E < 3,1 eV.

• A energia pode ser fornecida por meio de radiação eletromagnética de maior energia (e.g. ultravioleta), causando transições da banda de valência para a banda de condução, ou por outras fontes, como elétrons de alta energia, energia calorífica, mecânica ou química.


Luminescência

• A luminescência é classificada de acordo com o tempo entre os eventos de absorção e emissão.

• Se a reemissão ocorre para tempos muito menores que um segundo, o fenômeno é conhecido como fluorescência. Se ocorre para tempos mais longos, denomina-se fosforescência.

• Pode-se fazer diversos materiais que fluoresçam ou fosforeçam (sulfetos, óxidos, tungstatos, alguns materiais orgânicos). Normalmente, os materiais puros não suscitam os fenômenos, sendo necessário adicionar impurezas em concentrações controladas.


Luminescência

• Existem várias aplicações comerciais para a luminescência.

• As lâmpadas fluorescentes são um invólucro de vidro revestido internamente com tungstatos ou silicatos. Luz ultravioleta é gerada no interior do tubo por uma descarga de mercúrio, o que faz com que o revestimento fluoresça e emita luz branca.

• A imagem vista numa tela de tubo de raios catódicos é também um produto da luminescência. O lado interno do tubo é revestido por um material que fluoresce à medida que um feixe de elétrons atravessa a tela.

• Também é possível utilizar o fenômeno para detectar raios X e raios , gerando brilho para radiação incidente invisível.


Eletroluminescência

• Algumas junções retificadoras (p-n) também poder gerar luz visível por eletroluminescência. Quando um potencial com fluxo positivo é aplicado, aniquilam-se mutuamente elétrons e lacunas na região de recombinação. Sob certas circunstâncias, a energia gerada aparece como radiação visível. Os componentes que realizam esse processo são conhecidos como LEDs (light-emitting diodes), e a cor produzida depende das características do material.


LASERS

• Até agora, temos falado de transições eletrônicas espontâneas, ou seja, há um salto entre estados sem, digamos, um “controle externo”.

• Esses eventos ocorrem independentemente e em momentos aleatórios, gerando radiação incoerente.

• Quando se utiliza um laser, no entanto, gera-se radiação coerente por meio de transições iniciadas por um estímulo externo. A palavra LASER significa (light amplification by stimulated emission of radiation).


LASERS

• Tomemos como exemplo o laser de rubi em estado sólido. Ele consiste de um monocristal de safira (Al2O3) ao qual foi adicionado 0,05% de íons Cr+3. Esses íons fornecem a coloração característica do rubi e, o que é mais importante aqui, os estados necessários para a operação do laser.

• O laser de rubi encontra-se na forma de bastão, com extremidades planas, paralelas e altamente polidas. Ambas as extremidades são prateadas, de modo que uma das extremidades é totalmente reflexiva e a outra é parcialmente transmissora.

• O rubi é iluminado com uma lâmpada flash de xenônio. Antes da exposição, os íons Cr+3 estão em seu estado fundamental. Entretanto, os fótons com comprimento de onda de 0,56 m excitam os elétrons do íon para estados de energia mais elevados. Alguns desses elétrons decaem diretamente para o estado fundamental, e não fazem parte do laser. No entanto, outra parte decai para um estado intermediário metaestável, onde podem ficar por até 3 ms antes de haver uma emissão espontânea. É um tempo relativamente longo, de modo que grandes números desses estados podem ficar ocupados.


LASERS


Fig. 21.13, Callister & Rethwisch 9e.

LASERS


Fig. 21.14, Callister & Rethwisch 9e.

LASERS

• A emissão espontânea inicial de fótons por alguns desses elétrons dispara uma avalanche de emissões a partir do estado metaestável.

• Dos fótons direcionados paralelamente ao eixo do bastão, alguns são transmitidos pela extremidade parcialmente prateada. Outros incidem na extremidade totalmente prateada e são refletidos. Os fótons emitidos em direções não axiais são perdidos. O feixe de luz viaja para a frente e para trás na direção axial, e mais emissões são estimuladas. Ao final, um feixe de alta intensidade, coerente e colimado, é transmitido pela extremidade do bastão. O feixe possui comprimento de onda de 0,6943 m.


LASERS


Fig. 21.15,

Callister &

Rethwisch 9e.

LASERS - Semicondutores

• Os materiais semicondutores, como o arseneto de gálio, também podem ser empregados para gerar lasers como aqueles usados para reproduzir CDs.

• Em alguns casos, uma exigência para esses materiais é que o comprimento de onda associado ao espaçamento entre bandas corresponda à região do visível. Ou seja,

=ℎ𝑐

𝐸𝑒

deve estar entre 0,4 e 0,7 m.



• A aplicação de uma tensão excita elétrons da banda de valência para a banda de condução. Como consequência, criam-se lacunas na banda de valência.

• Alguns poucos desses elétrons excitados se recombinam espontaneamente. Para cada evento de recombinação, emite-se um fóton de luz com o comprimento de onda dado pela equação mostrada. Um desses fótons estimulará a recombinação de outros pares elétron excitado – lacuna, assim como a produção de fótons adicionais de mesmo comprimento de onda, todos em fase entre si. Tem-se então um feixe monocromático e coerente.

• Como no laser de rubi, há uma extremidade totalmente refletora, o que bombeia fótons para o material gerando recombinações adicionais. A outra extremidade é parcialmente refletora, deixando que o feixe escape.

• O laser é construído com várias camadas de materiais semicondutores com diferentes composições entre um sorvedouro e um condutor metálico. As composições são escolhidas para confinar os elétrons excitados, as lacunas e o feixe na camada de arseneto de gálio.




Aplicações

• Procedimentos cirúrgicos

• Corte, solda e usinagem de metais

• Sistemas de comunicação óptica

• CD e DVD players

• Medições de precisão.


Fibras Ópticas e Comunicações

• O advento das fibras ópticas gerou uma revolução nas comunicações com a possibilidade de transmitir informações a longas distâncias por meios fotônicos.

• Em relação a sistemas elétricos clássicos, sistemas ópticos tipicamente possuem maiores taxas de transmissão, maior distância de transmissão e menores taxas de erro.

• Vejamos a seguir o modelo geral de um sistema de comunicação óptica.





• A informação deve ser digitalizada (transformada em bits) e então codificada para compactação e introdução controlada de redundância (código corretor de erros). Em seguida, converte-se o sinal elétrico em sinal óptico (fotônico), o que pode ser feito, por exemplo, por meio de um laser semicondutor. Trabalha-se tipicamente entre 0,78 e 1,6 m, ou seja, na região do infravermelho (que leva a perdas de absorção relativamente pequenas).

• A transmissão de um bit “1” pode ser feita por um pulso de alta potência e a de um bit “0” por um pulso de baixa potência (ou pela ausência de pulso).

• Os pulsos são transmitidos por uma fibra óptica até a extremidade receptora. Em transmissões de longa distância, podem ser demandadas estações repetidoras, que amplificam e regeneram o sinal. Por fim, no receptor, há a conversão do sinal fotônico em sinal eletrônico, a decodificação e a reconstrução da informação.



• A fibra deve guiar os pulsos de luz por longas distâncias com pouca perda e distorção. Para tanto, ela conta com o núcleo, o recobrimento e o revestimento. O sinal óptico passa pelo núcleo, o recobrimento restringe a trajetória do sinal ao interior e o revestimento externo protege núcleo e recobrimento contra danos oriundos do “mundo exterior”.


Fig. 21.20, Callister &

Rethwisch 9e.


• O material da fibra é o vidro de sílica de alta pureza, e seu diâmetro varia entre 5 e 100 m. As fibras são relativamente isentas de defeitos, e, dessa forma, fortes e resistentes.

• A contenção da luz no núcleo é possibilitada pelo fenômeno de reflexão interna total – quaisquer raios que estejam se deslocando em eixos oblíquos ao eixo da fibra são refletidos de volta para o interior do núcleo.

• A reflexão interna é obtida variando o índice de refração dos materiais do núcleo e de seu recobrimento. Há dois tipos de concepção de projeto aqui. No chamado índice em degrau, o índice de refração do recobrimento é ligeiramente menor que o do núcleo. Isso tende a gerar certo alargamento do pulso.

• Esse alargamento pode ser evitado pela utilização de outro conceito, o de índice em grau. Adicionam-se impurezas ao vidro de sílica de modo que o índice de refração varie segundo um perfil parabólico ao longo da seção reta da fibra. Com isso, a velocidade no interior do núcleo varia de acordo com a posição radial, sendo maior na periferia que no centro. Isso compensa os maiores percursos dos raios da periferia, fazendo com que o pulso se alargue menos e, portanto, sofra pouca distorção.




Step-index Optical

Fiber

Graded-index Optical Fiber

Fig. 21.22, Callister & Rethwisch

9e.

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