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Dispoptic 20081 DISPOSITIVOS ÓPTICOS Introdução e revisão.

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2 Dispoptic 20081 DISPOSITIVOS ÓPTICOS Introdução e revisão

3 Dispoptic 20082 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 Dispositivo óptico para mouse óptico? Dispositivo óptico Real? Virtual? Lado óptico Lado fotônico

4 Dispoptic 20083 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Optical_devices Category:Optical devices A [ +] Astronomical observatories +Astronomical observatories I [ +] Interferometers +Interferometers L [ +] Lasers +Lasers [+] Lenses+Lenses M [ +] Microscopes +Microscopes [+] Mirrors+Mirrors O [ +] Optical filters +Optical filters [+] Optoelectronics+Optoelectronics P [ +] Photography equipment +Photography equipment P cont. [ +] Planetaria +Planetaria [+] Prisms+Prisms R [ +] Refractometers +Refractometers T [ +] Telescopes +Telescopes

5 Dispoptic 20084 Pages in category “Optical devices” Optical Instruments A AN/PVS-14 AN/PVS-22 ARROW waveguide Acousto-optic modulator Optical amplifier Arrayed waveguide grating Astrograph Optical attenuator Autocollimator B Beam dump Beam homogenizer Bicycle reflector Binoculars Binoviewer Borescope C Camera Camera lucida Camera obscura Catadioptric system Catoptric cistula Optical cavity Colorimeter Comparison Microscope Culpascope D Diaphragm (optics) Dielectric wireless receiver Diffraction grating Dipleidoscope Dome magnifier Dynameter E Echelle grating EcoSCOPE Electro-Optix Electro-optic modulator Endoscopy Eye relief Eyepiece F Faraday rotator Fiberscope Finderscope Focus finder G Golf mirror Graphoscope Ground glass Gyro gunsight Gyrotron H Haploscope Hidden camera Hinman Collator Hollow cathode lamp HoloVID Holographic grating Hydroscope I Image-stabilized binoculars Indirect ophthalmoscope Optical interleaver J Jeffree cell K Kaleidica Kaleidoplex Kaleidoscope L Laser Laser beam profiler Laser microphone Lens (optics) Light table Liquid mirror Loupe Lovibond comparator M Magneto-optical trap Maser Megalethoscope Mirror mount Optical modulator Monochromator Monocular N Night vision device Nuller O Opera glasses Optical axis gratings Optical circulator Optical flat Optical hybrid Optical isolator Optical microcavity Optical power meter Optical tape Optode P Panoramagram Passive infrared sensor Periscope Phased array optics Photodetector Photometer Photomultiplier Photoresistor Phototube Polarimetry Polarizer Polychromator Polyrama Panoptique Prism (optics) Prism coupler Pseudoscope Q Quantum well infrared photodetector R Remote camera Retroreflector Ring laser gyroscope S Scioptric ball Sight (device) Silver halide Solid immersion lens Spatial filter Spatial light modulator Spectralon Spectrophotometer Spotting scope Star diagonal Sun photometer Optical instrument T Optical table Tachistoscope Teleidoscope Telescope Theodolite Tiny Ionospheric Photometer Turbinlite U Ultrafast monochromator User:Slicky/Microscopy in science V Video camera Videoscope Visby lenses W Wave plate Z Zograscope Zone plate

6 Dispoptic 20085 Lente composta como dispositivo ergonômico Sem dispositivo óptico Dor de cabeça, coluna,... Com dispositivo óptico Dispositivo óptico Lente de 3 segmentos http://ergocab.com/merford_optical_device.html

7 Dispoptic 20086 As próximas 7 transparências representam parte significativa de aplicações de dispositivos ópticos na Indiana School for the Blind and Visually Impaired

8 Dispoptic 20087 Types of Optical Devices Distance Devices intra.isbrockets.org/teams/dept_outreach/2006-09_Update/index_files/typesofdistancedevices.ppt Indiana School for the Blind and Visually Impaired

9 Dispoptic 20088 Binoculars

10 Dispoptic 20089 Monocular

11 Dispoptic 200810 Full-Field Bioptic Systems

12 Dispoptic 200811 Bioptic Systems

13 Dispoptic 200812 Sunfilters

14 Dispoptic 200813 Night Vision Scopes

15 Dispoptic 200814 http://www.school-for-champions.com/science/optics.htm Explanation of optical devices - Succeed in Physical Science. Also refer to optics, physics, lenses, lasers, telescope, microscope, spectrometer, WBT, education, distance learning, Ron Kurtus, School for Champions. Copyright © RestrictionsCopyright © Restrictions Optical Devices by Ron Kurtus (revised 6 October 1999) Have you ever wondered how a camera works? Or why you need a flashlight to see in the dark? Or how a magnifying glass can make things look bigger? Or why a rainbow looks so colorful? There are many devices that use the visible electromagnetic waves we call light. Some of these devices create light, some detect light, and others manipulate the beams of light for some use. See lesson on Electromagnetic WavesElectromagnetic Waves See lesson on Visible LightVisible Light See Simulated Optics Experiments on Curved Mirrors and Single Lenses.Curved MirrorsSingle Lenses This lesson will answer those questions. There is a mini-quiz near the end of the lesson.mini-quiz

16 Dispoptic 200815 http://publib.boulder.ibm.com/infocenter/iseries/v5r3/index.jsp?topic=/rzam4/rzam4 virtualconcepts.htm Conceitos de Armazenamento Ótico Virtual Armazenamento ótico virtual consiste em objetos que, quando utilizados juntos, imitam mídia CD ou DVD em unidades de disco. Os CDs ou DVDs imitados parecem mídia real para o servidor. Os objetos que o armazenamento ótico virtual utiliza são os seguintes: Imagem virtual Uma imagem virtual é um objeto que contém os dados que normalmente estão em um CD ou DVD real. A imagem virtual é um arquivo de fluxo que reside no sistema de arquivos integrado. Você deve inicializar uma imagem virtual para que possa gravar nela. No caso de um backup e recuperação, também é possível estender imagens virtuais. Dispositivo ótico virtual Um dispositivo ótico virtual é uma descrição de dispositivo que suporta armazenamento ótico virtual, assim como uma descrição de dispositivo ótico real suporta armazenamento ótico real. De 1 a 35 descrições de dispositivo ótico virtual podem estar ativas ao mesmo tempo no servidor. Você cria um dispositivo ótico virtual selecionando os parâmetros RSRCNAME(*VRT) ou TYPE(632B) no comando CRTDEVOPT (Criar Descrição de Dispositivo (Ótico)).

17 Dispoptic 200816 Pinças ópticas e aplicações http://129.215.76.37:8080/Plone/research/micromanipulation/optical-tweezers-and-applications As pinças ópticas são consideradas como uma ferramenta para micromanipulação sem contacto de partículas microscópicas (10nm a 10um) que podem ser armadilhadas no foco de um laser de baixa potência e podem ser manipulados tridimensionalmente movimentando a amostra ou a armadilha. Onde? Ciências biológicas e coloidais. Como? Trasladores (movimentadores)

18 Dispoptic 200817 http://129.215.76.37:8080/Plone/research/micromanipulation/optical-tweezers-and- applications Optical Tweezers and Applications Optical tweezers are an instrument for contactless micromanipulation of microscopic particles. Objects ranging in size from about 10nm to 10um can be trapped close to the focus of a low(ish) power laser beam and manipulated in three dimensions by moving either the sample or the trap position. There is a wide variety of applications—particularly in biology and colloid science—from 'simple' translators to trap arrays and high precision force measurements. How do tweezers work? Light possesses both energy and momentum. An interaction between radiation and matter can result in an exchange of momentum. Consider a dielectric sphere placed in a laser beam (figure 1a). The sphere acts like a miniature lens; the refraction or reflection of light at a dielectric interface alters the direction, and hence the momentum of the light. Due to the spatial intensity profile of the laser beam more light is refracted towards left than the right. The light therefore gains overall momentum towards the left which, by Newton's third law, means that the sphere gains momentum in the opposite direction (towards the right, or more precisely, towards the highest laser intensity). Closer examination reveals that the force is related to the gradient of laser intensity, and it is therefore often referred to as gradient force. As a consequence, the sphere is drawn into the region of highest light intensity. While this mechanism confines the sphere in the directions perpendicular to the beam propagation, another process is used to trap in the direction parallel to the beam. When placed in the path of a laser beam, the sphere will feel 'radiation pressure' caused by the stream of photons scattering off its surface, giving the sphere momentum in the direction of the beam (this effect can be seen on a much larger scale in the field of astronomy—a comet's tail as seen from earth is caused by radiation pressure from the sun). If the laser beam is focused very tightly (figure 1b) there is also a gradient force against the propagation direction of the beam which can balance the radiation pressure from the beam. In this manner, a three-dimensional single beam trap can be created to trap microscopic particles.

19 Dispoptic 200818 Pinças ópticas Figure 1a) Lateral TrappingFigure 1b) Axial Trapping Desde que a intensidade do feixe de laser não é completamente plana, i.e. constante 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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21 Dispoptic 200820 http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers

22 Dispoptic 200821 The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) has awarded an $8 million, four-year,basic-research program grant to the California Institute of Technology to initiate research in photonics technologies. The technical focus of the effort will be on optofluidics, an exciting new research area based on the use of microfluidic devices to control optical processes, and which is expected to result in a new generation of small-scale, highly adaptable, and innovative optical devices. To conduct the research, Caltech is establishing a new center called the Center for Optofluidic Integration. The center will spearhead efforts directed toward a new class of adaptive optical devices for numerous applications in sensing, switching, and communications.

23 Dispoptic 200822 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

24 Dispoptic 200823 Uma revisão geral

25 Dispoptic 200824 Fibras Ópticas  Um pouco de história: 1.Sinais de fogo, fumaça, códigos visuais 2.1790 Claude Chappe, Paris-Lille (230 Km), Semáforo = telegrafo óptico Semáforo 3.1870 John Tyndall – jato de águajato de água 4.Alexander Graham Bell, Charles Sumner Tainter - 1880 - FotofoneFotofone

26 Dispoptic 200825 Semáforo 5 minutos para transmitir a uma distância de 190 km

27 Dispoptic 200826 Mapa da França com semáforo

28 Dispoptic 200827 John Tyndall 1870

29 Dispoptic 200828 O homem que guiou a luz. Daniel Colladon (38) professor na Universidade de Genebra demonstrou como guiar a luz em 1841.

30 Dispoptic 200829 Detalhes históricos Reflexão Total Interna(TIR) é atribuída a John Tyndall (1854 experimento em Londres). 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.

31 Dispoptic 200830 Graham Bell 1880 - fotofone primeira transmissão de voz, através de luz não guiada

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35 Dispoptic 200834 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 Bell Bem antes do fotofone!

36 Dispoptic 200835 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

37 Dispoptic 200836 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.

38 Dispoptic 200837 Fibras Vantagens 1.baixa atenuação 2.largura de banda 3.Imunidade à interferência eletromagnética 4.baixo peso (  vidro ~2,5 g/cm 3,  cobre ~8,9 g/cm 3 ) 5.sigilo 6.isolação elétrica

39 Dispoptic 200838 Fibras Desvantagens 1.acoplamento e emenda da fibra 2.derivações limitadas 3.padrão dos sistemas ópticos 4.fragilidade da fibra

40 Dispoptic 200839 Guias de onda de luz Duas categorias: 1.Bloco dielétrico – sanduíche n1n1 n2n2 n3n3 Confinamento da propagação planar em n 1

41 Dispoptic 200840 Guias de onda de luz 2.Fibras ópticas: –De vidro ou plástico, de simetria cilíndrica –Com secção transversal anular n1n1 n2n2 n 1 > n 2 GRIN

42 Dispoptic 200841 FIBRAS ÓPTICAS Duas categorias: 1.Índice de refração degrau (n 1 é constante) 2.Índice de refração gradiente (GRIN) Propriedades: 1.Propagação confinada ao núcleo, n 1, por reflexão total interna, mesmo assim qdo a fibra é envergada ou enrolada

43 Dispoptic 200842 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?

44 Dispoptic 200843 Teoria de propagação Ar nono 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  a se propaga na guia de onda por reflexão interna total. n1n1 n2n2 n 1 > n 2 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

45 Dispoptic 200844 onde pela Lei de Snell sin  c =n 2 /n 1 Teoria de propagação Ar nono n1n1 n2n2 n 1 > n 2

46 Dispoptic 200845 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

47 Dispoptic 200846 1.- Uma fibra óptica com um núcleo de vidro flint denso, n 1 = 1,66, e um recobrimento de vidro crown, n 2 = 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

48 Dispoptic 200847.....cont   ≥  c onde  c é o ângulo crítico para que o feixe de luz seja totalmente refletido para dentro do núcleo. n1n1 n2n2 Notar que aumentando  1 diminui  3 A solução será.......... Colocando  3 =  c para determinar  1 utilizando a lei de Snell

49 Dispoptic 200848....cont n1n1 n2n2 Substituindo na primeira eq: Sendo n 1 = 1,66 e n 2 = 1,56 O valor calculado de  1 é 42 o Em A: Em B:

50 Dispoptic 200849 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.

51 Dispoptic 200850.......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

52 Dispoptic 200851 Várias configurações de fabricação

53 Dispoptic 200852 Próxima Aula Descrição mais apropriada sobre a propagação da luz em guias de onda, tratamento ondulatório, através das eqs de Maxwell.


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