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406 Componentes ópticos Fontes de Luz Fontes de luz incoerente:
Instrumentação Optoelectrónica Componentes ópticos Fontes de Luz Fontes de luz incoerente: Lâmpadas de arco Lâmpadas incandescentes LEDs Fontes de luz coerente: LASER

407 Instrumentação Optoelectrónica
Lâmpadas de arco Baseiam-se na emissão de luz a partir de um gás (normalmente um gás raro) após excitação por uma descarga eléctrica gerada entre um par de eléctrodos (arco eléctrico)

408 Instrumentação Optoelectrónica
Lâmpadas de arco O espectro de emissão destas lâmpadas pode ser contínuo (ex: Xénon) ou pode ser um espectro de linhas (ex: Mercúrio)

409 Instrumentação Optoelectrónica
Lâmpadas de Xénon As lâmpadas de Xénon são a fonte de luz mais versátil para espectrofluorometria de estado estacionário. Saída de luz contínua na gama 250 – 700 nm Linhas na região de 400 nm e acima de 800 nm O espectro contínuo resulta da recombinação de electrões com átomos de Xe ionizados. A ionização do Xe dá-se por colisão entre os átomos e os electrões que fluiem no arco eléctrico. A separação completa dos electrões resulta num espectro contínuo. As linhas resultam da desexcitação de electrões que foram excitados mas não ionizados.

410 Spectral Distribution (nm) Fluctuation Max (%/p-p)
Instrumentação Optoelectrónica Lâmpadas de Xénon Algumas características Type Power Consumption (W) Window Material Spectral Distribution (nm) Radiant Intensity at 550nm at 50cm Typ (uW/cm2•nm) Output Stability Operating Life Drift Typ (%/h) Fluctuation Max (%/p-p) Guaranteed Life (h) *3 Average Life (h) L2173 35 Fused silica 185 to 2000 0.25 +/- 0.5 1000 2000 L2193 Ozone-free silica 220 to 2000 L2174 75 0.56 L2194 L2175 150 2.00 1200 2500 L2479 300 5.06 +/- 1.0 L2480 Devido ao seu elevado brilho e à emissão de radiação UV, nunca se deve observar a saída destas lâmpadas. Os operadores devem usar óculos protectores e luvas. Caso não se necessite de emissão abaixo dos 260 nm deve-se utilizar uma lâmpada do tipo ozone-free. As fontes de alimentação destas lâmpadas são perigosas: 25A a 20 V para lâmpadas de 450W. O arranque da lâmpada requer impulsos de alta tensão de 20 – 40 kV.

411 Lâmpadas Lâmpadas de Mercúrio de alta pressão
Instrumentação Optoelectrónica Lâmpadas Lâmpadas de Mercúrio de alta pressão Maior irradiância do que nas lâmpadas de Xénon mas concentrada em linhas espectrais Lâmpadas de Mercúrio de baixa pressão Menor emissão de luz mas riscas espectrais muito estreitas. Ideais para calibração em comprimento de onda Lâmpadas de Quartzo - Tungsténio Halogéneo (QTH) (incandescentes) Saída contínua nas regiões do visível e do infravermelho.

412 Lâmpadas de impulsos Empregues em técnicas resolvidas no tempo
Instrumentação Optoelectrónica Lâmpadas de impulsos Empregues em técnicas resolvidas no tempo

413 Instrumentação Optoelectrónica
Lâmpadas de impulsos As características espectrais da emissão de luz dependem do gás de enchimento e da sua pressão O2: 1 atm H2: 0.1 atm D2: 0.16 atm D2: 1 atm H2: 0.16 atm H2: 20 atm

414 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs LED – Light Emitting Diode

415 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs

416 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs - Ultravioleta

417 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs - Azul

418 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs - Verde

419 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs - Amarelo

420 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs – Infravermelho

421 Instrumentação Optoelectrónica
LEDs - Branco

422 LEDs – modo de impulsos Valores típicos: 0.8 a 1.4 ns FWHM
Instrumentação Optoelectrónica LEDs – modo de impulsos Valores típicos: 0.8 a 1.4 ns FWHM

423 Elementos dispersivos
Instrumentação Optoelectrónica Elementos dispersivos Prismas Redes de difracção

424 Redes de difracção Difracção Máximo central 1º mínimo
Instrumentação Optoelectrónica Redes de difracção Difracção 1º mínimo Máximo central

425 Instrumentação Optoelectrónica
Redes de difracção Cada ponto da frente de onda actua como fonte de novas ondas • Ondas com origem em pontos diferentes da abertura percorrem distâncias diferentes até ao alvo. Tal resulta em diferenças de fase: interferência • Iremos ver no alvo zonas iluminadas e zonas escuras

426 Instrumentação Optoelectrónica
Redes de difracção Duas fendas

427 Diferença de percurso = d sin
Instrumentação Optoelectrónica Redes de difracção Duas fendas Máximos  d Diferença de percurso = d sin Mínimos

428 Instrumentação Optoelectrónica
Redes de difracção Uma rede de difracção (diffraction grating) é um dispositivo com um grande número de fendas adjacentes Cada par de fendas adjacentes é tratado de forma similar à difracção por fenda dupla Redes de transmissão Redes de reflexão Abertas mecanicamente Impressas holograficamente (podem ir até cerca de 6000 fendas por mm)

429 Redes de difracção Rede de difracção facetada a funcionar por reflexão
Instrumentação Optoelectrónica Redes de difracção Rede de difracção facetada a funcionar por reflexão

430 Instrumentação Optoelectrónica
Redes de difracção A rede diz-se facetada (blazed) quando a normal à rede e a normal às fendas não coincide Numa rede de difracção não facetada a energia dispersa distribui-se pelas diferentes ordens de difracção, com o máximo a ocorrer na ordem 0. Na ordem zero não ocorre resolução dos componentes da luz. O ideal seria concentrar a energia dispersa numa única ordem de difracção (que não a ordem 0). A utilização de redes facetadas contribui para este objectivo. Uma rede diz-se, por exemplo, facetada a 550 nm. Significa que para luz deste comprimento de onda (lb) toda a energia dispersa é concentrada numa única ordem de difracção. Como aproximação geral, para redes facetadas, a eficiência reduz-se a 50% para l < 0.67·lb e l > 1.8· lb.

431 Instrumentação Optoelectrónica
Monocromadores O monocromador produz na fenda de saída uma imagem da fenda de entrada para os comprimentos de onda constituintes do feixe de luz A selecção do comprimento de onda presente na fenda de saída é feita por rotação da rede de difracção A fenda de saída pode ser substituída por um plano focal de saída quando se utilizam detectores multi-elementos

432 Monocromadores Equação da rede de difracção:
Instrumentação Optoelectrónica Monocromadores Equação da rede de difracção: Num monocromador a fenda de entrada e o espelho de colimação fixam o ângulo qi. A dispersão angular obtém-se diferenciado, em ordem ao comprimento de onda, o ângulo de difracção qm. Geralmente os fabricantes de redes de difracção não especificam o parâmetro a, mas sim o seu recíproco n que corresponde ao número de linhas por unidade de comprimento. O produto entre a dispersão angular da rede de difracção e a distância focal efectiva do monocromador, f, denomina-se dispersão linear:

433 Monocromadores Poder de resolução da rede e resolução do monocromador
Instrumentação Optoelectrónica Monocromadores Poder de resolução da rede e resolução do monocromador Radiação monocromática a incidir sobre uma rede de difracção: O espectro que emerge dessa rede exibirá uma única risca espectral com largura finita. A largura efectiva da risca corresponde à distância angular entre os zeros que ladeiam o pico do padrão de difracção: N - número de linhas da rede de difracção. Na - largura da rede de difracção. Critério de Rayleigh: o limite de resolução de duas linhas espectrais ocorre quando o pico do padrão de difracção de uma coincide com o primeiro mínmo do padrão da segunda linha espectral. Distância entre picos de difracção = metade da largura efectiva da linha espectral. Tal significa que a distância angular mínima entre duas linhas espectrais, de forma a assegurar a sua resolução, é dada por:

434 Monocromadores Poder de resolução da rede e resolução do monocromador
Instrumentação Optoelectrónica Monocromadores Poder de resolução da rede e resolução do monocromador A variação de comprimento de onda que produz a distância angular mínima dada pela equação é determinada utilizando a noção de dispersão angular da rede de difracção: O poder de resolução da rede, para um dado comprimento de onda l é definido por R = mN A resolução limite da rede de difracção não corresponde à resolução final do espectrómetro. Esta é definida por factores como a largura das fendas do monocromador e as aberrações ópticas do sistema. Se as fendas de entrada e de saída fossem infinitamente estreitas e se não existissem quaisquer aberrações ópticas a resolução limite da rede de difracção definiria o limite de resolução do espectrómetro

435 Monocromadores Exercícios exemplo Instrumentação Optoelectrónica
Qual a resolução limite de uma rede de difracção com 68 mm de largura, 300 linhas por mm, para o comprimento de onda de nm? (0.025 nm) Uma rede de difracção com a largura de 1 cm possui 10,000 fendas paralelas. Luz monocromática com incidência normal é desviada 30˚, na primeira ordem. Qual é o comprimento de onda da luz? (500 nm) Segundo o critério de Rayleigh, a separação angular mínima que permite a resolução de fontes pontuais através de pupilas circulares de diâmetro D é: A pupila de um olho tem um diâmetro de 5.00 mm. Qual a distância mínima entre dois objectos pontuais para que as suas imagens rejam resolvidas, quando os objectos se situa a 250 mm e são iluminados com luz de comprimento de onda 500nm? (30.5 mm)

436 Monocromadores EXERCÍCIO RESOLVIDO Instrumentação Optoelectrónica
Suponha que pretende registar espectros de emissão de fluorescência para excitação a 436 nm e emissão na banda de 450 a 650 nm. Para tal possui um detector constituído por um conjunto linear de 1000 fotodíodos formando um comprimento sensível de 25 mm. O detector está colocado no plano focal de saída de um monocromador. O fabricante do monocromador específica uma dispersão linear recíproca (dl/dx – o inverso da dispersão linear) de 3.0 nm por mm quando a rede de difracção tem 1200 fendas por mm e está orientada para l=500 nm. Considere difracção para a ordem m =1. Tenha em conta que num monocromador a distância focal f está fixa por construção e o ângulo qm é constante para um dado comprimento de onda de orientação da rede. Qual o comprimento de onda para que deverá orientar a rede de difracção (no controlo do monocromador)? Qual das seguintes redes de difracção escolheria para colocar no monocromador? 150 fendas por mm facetada a 550 nm 300 fendas por mm facetada a 650 nm 300 fendas por mm facetada a 550 nm 600 fendas por mm facetada a 500 nm

437 Monocromadores EXERCÍCIO RESOLVIDO 18 Instrumentação Optoelectrónica
A rede de difracção deve ser orientada para o comprimento de onda localizado no centro da banda de emissão que se pretende observar: 550 nm Se então logo e

438 Monocromadores EXERCÍCIO RESOLVIDO 18 Instrumentação Optoelectrónica
A banda de comprimentos de onda que se pretende observar (200 nm) vai ocupar, no plano focal de saída, um comprimento: Como o comprimento activo do sensor é de 25 mm, deve-se utilizar a rede de difracção de 300 linhas por milímetro. Deverá ser facetada para 550 nm

439 Instrumentação Optoelectrónica
Filtros Componentes ópticos em que ocorre absorção selectiva em termos de comprimento de onda da luz incidente Filtros coloridos Filtros de corte Filtros de densidade neutra Filtros de interferência Espelhos quentes e frios

440 Filtros Transmitância interna:
Instrumentação Optoelectrónica Filtros Transmitância interna: a – coeficiente de absorção c – concentração de absorventes Transmitância total: considera a transmitância interna do filtro e as transmitâncias dos dois (um por cada face) revestimentos: G = t1·t2·Gi Absorbância ou densidade óptica: Conjunto de vários filtros: Gtot = G1·G2·G3·…

441 Filtros coloridos Instrumentação Optoelectrónica
Vidro preto Corte IR próximo Vidro azul - violeta Vidro azul-verde Absorção de calor

442 Instrumentação Optoelectrónica
Filtros de corte O comprimento de onda de corte é especificado a 50% da transmitância Passa baixo Passa alto

443 Filtros de densidade neutra
Instrumentação Optoelectrónica Filtros de densidade neutra Os filtros de densidade neutra atenuam, dividem ou combinam feixes numa gama elevada de razões de irradiância sem dependência significativa com o comprimento de onda Existem 2 tipos de filtros de densidade neutra. Os filtros metálicos usam as propriedade reflectoras dos revestimentos metálicos de filme fino para atenuar a luz. Os filtros absorventes usam as propriedades de absorção dos vidros ópticos e a variação na espessura do filtro para atenuar a luz. Os parâmetros a especificar são: a percentagem de transmitância nominal e a densidade óptica para um dado comprimento de onda

444 Filtros de interferência
Instrumentação Optoelectrónica Filtros de interferência Os filtros de interferência são filtros de banda estreita e permitem isolar intervalos de comprimento de onda de alguns nanómetros sem recorrer a elementos dispersivos. Os principais critérios de selecção de um filtro de interferência saõ a transmissão no pico e a largura de banda (largura a meia altura – FWHM - da curva de transmitância). Banda estreita: FWHM =10 nm Banda média: FWHM = 40 nm Banda larga: FWHM = 80 nm A transmissão no pico é sensível à temperatura e ao ângulo de incidência. Estes filtros devem ser sempre utilizados em condições de incidência normal. Atenção à transmissão nas ordens superiores! no – índice de refracção do meio externo ne - índice de refracção efectivo do meio interno f – ângulo de incidência

445 Filtros de interferência
Instrumentação Optoelectrónica Filtros de interferência Transmitância dos filtros de interferência empregues num espectrómetro de fluorescência do cristalino

446 Espelhos quentes e frios
Instrumentação Optoelectrónica Espelhos quentes e frios Espelhos quentes: são concebidos para transmitir o espectro visível e reflectir o espectro infravermelho próximo. Espelhos frios: reflectem luz visível e transmitem a radiação infravermelha. Reflectância média: mais de 97% Espelho frio Espelho quente

447 Instrumentação Optoelectrónica
Polarização E B Direction of Travel A luz pode ser modelada em termos de ondas electromagnéticas transversais. A onda electromagnética consiste na propagação de dois campos interdependentes (E e B). Os campos E e B são perpendiculares entre si e relativamente à direcção de propagação. É o campo eléctrico que produz maiores efeitos sobre os materiais. Assim, daqui para a frente, vamos ignorar o efeito do campo magnético.

448 Instrumentação Optoelectrónica
Polarização Luz Natural (não polarizada): A orientação do vector campo eléctrico varia de forma aleatória. Luz com Polarização Linear: O vector campo eléctrico tem orientação constante. E E A luz não polarizada pode ser representada como a sobreposição de duas componentes ortogonais incoerentes (i.e. sem qualquer relação de fase) de igual amplitude, com polarização linear

449 Exemplo: polarização circular direita
Instrumentação Optoelectrónica Polarização Polarização circular Grandeza do campo eléctrico constante Direcção do campo eléctrico roda Sobreposição complexa das polarizações vertical e horizontal em quadratura de fase (desfasamento de 90º) Exemplo: polarização circular direita Polarização circular direita: Observador de frente para a propagação da onda “vê” o vector campo eléctrico a rodar no sentido directo (horário) Polarização circular esquerda:

450 Polarização Polarização elíptica
Instrumentação Optoelectrónica Polarização Polarização elíptica Caso geral (PL e PC podem ser vistas como casos particulares de polarização elíptica) Parcialmente linear e parcialmente circular O campo E varre uma elipse Grandeza e direcção variam com o tempo Polarização elíptica

451 Polarização Ey i Ey E+45 Edireita Ex Ex Eesquerda E-45
Instrumentação Optoelectrónica Polarização Decompor em polarizações x e y Linear – sobreposição real Circular -- sobreposição em quadratura Ex Ey E+45 E-45 Polarizações lineares (ex.) Ex i Ey Edireita Eesquerda Polarizações circulares

452 Instrumentação Optoelectrónica
Polarização Polarizador: qualquer elemento que transforma luz natural em luz com algum tipo de polarização Luz natural q I’ E0 Os detectores medem irradiâncias: Polarizador E0 cos q I0=I’/2 Analisador Lei de Malus:

453 Polarização Análise de luz polarizada
Instrumentação Optoelectrónica Polarização Análise de luz polarizada Determinar qual a intensidade de luz em cada uma das componentes: Luz polarizada segundo um ângulo  Componentes x & y da luz Polarizador horizontal: só passa a componente x No detector incide apenas a porção de luz polarizada linearmente segundo a direcção x

454 Polarização Não passa luz através de dois polarizadores cruzados
Instrumentação Optoelectrónica Polarização Análise de luz polarizada Dois polarizadores perpendiculares (cruzados) Luz natural Polarizador vertical: Só passa a componente y Não passa luz através de dois polarizadores cruzados Polarizador horizontal: componente x

455 Polarização Chega luz ao detector? Sim! Análise de luz polarizada
Instrumentação Optoelectrónica Polarização Análise de luz polarizada Colocar um terceiro polarizador entre os dois anteriores Polarizador vertical: Só passa a componente y Chega luz ao detector? Sim! horizontal: a componente x Polarizador a 45º: só passa a componente a 45º;

456 Polarizadores dicróicos
Instrumentação Optoelectrónica Polarizadores dicróicos Induzir perdas para uma direcção de polarização Exemplos: grelha metálica, filtros polaróides Dicroísmo: absorção selectiva de um dos dois estados de polarização ortogonais que constituem um feixe de luz polarizada

457 Polarizadores birrefringentes
Instrumentação Optoelectrónica Polarizadores birrefringentes Cristal birrefringente: dois índices de refracção, dependendo da direcção de polarização (raios ordinário e extraordinário). Princípio dos polarizadores birrefringentes: fazer com que os dois estados de polarização ortogonais sigam trajectórias distintas rejeitar um dos feixes polarizados

458 Polarizadores birrefringentes
Instrumentação Optoelectrónica Polarizadores birrefringentes Prisma Glan-Taylor Prisma de Wollaston Prisma Glan-Thompson

459 Polarizadores Aferir a acção de um polarizador
Instrumentação Optoelectrónica Polarizadores Aferir a acção de um polarizador O polarizador ideal deixa passar 100% do estado de polarização desejado e 0% do estado de polarização não desejado Não existe! À razão entre a irradiância transmitida através de um par de polarizadores com orientação paralela e a irradiância transmitida quando os polarizadores estão perpendiculares chama-se razão de extinção ou coeficiente de extinção. O valor ideal é infinito. Tipo de polarizador Razão Ext. Custo Calcite: € Dieléctrico: € Folha polaróide: €1 - 2

460 Instrumentação Optoelectrónica
Lâminas de atraso Birrefringência: uma direcção de polarização propaga-se mais depressa  diferença de fase Lâmina de meia onda – atraso de fase de 180° roda o plano de polarização até 90° rotação = 2∙q com q o ângulo entre o plano de polarização da onda incidente e o eixo rápido da lâmina de atraso Lâmina de quarto de onda – atraso de fase de 90° converte polarização linear em elíptica Circular: R ou L para ângulo de ±45 entre campo E e eixo rápido. Luz com polarização linear segundo direcção paralela a um dos eixos principais da lâmina não é afectada Rodar pol. linear 2q Criar polarização circular