Desenvolvimento e Caracterização de um Modelador Óptico Programável Guilherme Cañete Vebber Orientador: Ricardo R. B. Correia Colaboradores: Ismael A. Heisler e Jorge A. Lisbôa

Modeladores Ópticos Dispositivos capazes de manipular o perfil de propagação da luz através de modulações de fase e amplitude Φ0 Φ1 ΔΦ Modelador Óptico Modulação de Fase Perfil de Entrada Perfil de Saída ΔA Modelador Óptico A0 A1 Modulação de Amplitude

Modelador Óptico Espacial Modeladores Ópticos Modelador Óptico Espacial DIVISOR DE FEIXE MODELADOR MODELADOR IMAGEM INICIAL IMAGEM FINAL

Modelador Óptico Espectral Modeladores Ópticos Modelador Óptico Espectral Componentes espectrais Máscara Pulso de entrada Pulso de saída modelado

Modeladores Ópticos Espectrais Aplicações Filtro Óptico Espectral: pulsos FTL (limitados por transformada de Fourier) sintonizáveis Correção de Fase: pulsos mais curtos e intensos WEINER, A. M. Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, v. 71, n. 5, p. 1929-1960, Maio 2000.

Modeladores Ópticos Espectrais Aplicações Medicina: tomografia óptica coerente (OCT) Controle Coerente (Quântico): manipulação e controle de processos quânticos, a nível atômico-molecular TEARNEY, G. J. et al. In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography. SCIENCE, v. 276, n. 5321, p. 2037-2039, Jun. 1997.

Aplicações Compensação Codificação de Pulsos: de Dispersão: Modeladores Ópticos Espectrais Aplicações Telecomunicações: codificação e controle da dispersão Compensação de Dispersão: Original Modelado Correção de fase Pré-compensado Codificação de Pulsos: Compensação de Dispersão: Original Pré-compensado Modelado Correção de fase

Modeladores de Cristal Líquido (LCM) Modeladores Espectrais Programáveis Modeladores de Cristal Líquido (LCM) Configuração Experimental: Princípio Físico: Configuração Experimental: Princípio Físico: Máscara (LC-SLM): Campo elétrico dos pulsos modelados: Máscara (LC-SLM):

Modeladores Acusto-Ópticos (AOM) Modeladores Espectrais Programáveis Modeladores Acusto-Ópticos (AOM) Configuração Básica: Transdutor PZT Λ L λ la Cristal Modulador:

Modeladores de Espelho Deformável Modeladores Espectrais Programáveis Modeladores de Espelho Deformável Configuração Básica:

Construção do EPZAR Lateral: Frontal:

Atuadores Piezoelétricos Construção do EPZAR Atuadores Piezoelétricos Piezoeletricidade: Efeito Piezo Efeito Piezo Inverso

Atuadores Piezoelétricos Construção do EPZAR Atuadores Piezoelétricos Materiais: sólidos cristalinos não centro-simétricos (atualmente, baseiam-se em titanato zirconato de chumbo e titanato de bário) Aplicações dos PZT’s: Alarmes sonoros Campainhas Alto-falantes Relógios Acendedores de fogão e isqueiro Ultrassom (sonar) Nanoposicionamento: microscopia de força atômica, genética (manipulação de genes), modelagem óptica,...

Controlador de Tensões Construção do EPZAR Controlador de Tensões Interface LabVIEWTM: Circuito gerador projetado por: Jorge A. Lisbôa Programa desenvolvido por: Ismael A. Heisler

Espelho Deformável Planicidade + Flexibilidade Substrato inteiriço Construção do EPZAR Espelho Deformável Planicidade + Flexibilidade Substrato inteiriço x Substrato com ranhuras (amostras com 300μm de espessura) Apesar de boa planicidade, pouca flexibilidade (deformação insuficiente)

Caracterização do EPZAR Perfilometria Óptica Montagem:

Método de Análise Interferométrica Perfilometria Óptica Método de Análise Interferométrica Y (unid.arb.) X (unid.arb.) Programa (LabVIEWTM): Programa (LabVIEWTM):

Resultados Perfilometria Óptica ΔΦ = π equivale a Δl = 136nm (λ = 543,5nm)

Resultados

Teste: Otimização de frente de onda Montagem:

Algoritmo Evolutivo Indivíduo Gene Evolução: 23 Parâmetro de Aptidão Teste: Otimização de frente de onda Algoritmo Evolutivo Recombinação Mutação Seleção Melhores 77 84 88 Evolução: Geração 23 28 18 20 26 Seleção Melhores 77 84 88 Melhor Indivíduo 100 Indivíduo 23 Parâmetro de Aptidão (~ sinal experimental resultante) Configuração do espelho: 32 valores de tensão Indivíduo 23 Parâmetro de Aptidão Geração 23 28 18 20 26 Gene Valor de tensão (0-100V) Gene 128 indivíduos 16 indivíduos Mutação Recombinação 30 gerações Desenvolvido e aperfeiçoado por: Ismael A. Heisler e Tiago Buckup (e colaboradores)

Teste: Otimização de frente de onda Resultados

Teste: Otimização de frente de onda Resultados

Conclusão e Perspectivas Desempenho do EPZAR: razoável Aparato eletrônico e caracterização por perfilometria óptica: ótimos resultados Atuadores, espelho e conexões mecânica (cola) e elétrica (eletrodos): devem ser aperfeiçoados Causa para os vários atuadores corrompidos: corrosão acidental de contatos elétricos e danos em pontos frágeis dos eletrodos Possibilidade de caracterização do espelho in loco e em tempo real: monitoramento durante experimentos Perspectivas de aplicação: controle coerente e novas técnicas espectroscópicas

Fim Obrigado pela atenção Perguntas…

Espelho Deformável Micromaquinado (MMDM) Modeladores de Espelho Deformável Espelho Deformável Micromaquinado (MMDM) Arranjo de 39 atuadores: 7,5mm 26mm Características: Construção simples (exceto espelho) Atuadores eletrostáticos Modulação unidimensional e continuamente variável Baixa resolução espacial: 2mm Média taxa de reprogramação: ~ 1kHz Amplitude máxima de deflexão: 4μm (ΔΦ = 29,5π para λ = 543nm)

Modeladores de Espelho Deformável Modulador Espacial de Luz por Microssistema Eletromecânico (MEMS-SLM) 240 x 200 microespelhos: 8mm 9,6mm Características: Construção complexa Atuadores eletrostáticos Modulação bidimensional e discretamente variável (efeitos de pixelamento) Alta resolução espacial: 40μm Média taxa de reprogramação: ~ 1kHz Translação máxima: 450nm (ΔΦ = 3,3π para λ = 543nm) Imagem ampliada Dispositivo

Refletor Deformável Piezoatuado (PADRE) Modeladores de Espelho Deformável Refletor Deformável Piezoatuado (PADRE) Características: Construção simples Atuadores piezoelétricos Modulação unidimensional e continuamente variável Baixa resolução espacial: 2,5mm Deflexões máximas: Individual (300V): 1μm (ΔΦ = 7,4π para λ = 543nm) e largura de 3,8mm (FWHM) Senoidal (0V e 300V): 0,3μm (ΔΦ = 2,2π)

Espelho Deformável Piezo-Bimorfo Modeladores de Espelho Deformável Espelho Deformável Piezo-Bimorfo Características: Modulação unidimensional e continuamente variável Construção simples Baixa resolução espacial: 2,5mm Deflexões máximas: Global (160V): 16μm (ΔΦ = 118π para λ = 543nm) Senoidal (±160V): 64nm (ΔΦ = 0,5π)