Absorção da luz varia massivamente. 1 km Infra-Vermelho Ultra-Violeta 1 m Rádio Microondas Raio-X Profundidade de penetração em água 1 mm 10 ordens de magnitude! 1 µm 1 km 1 m 1 mm 1 µm 1 nm comprimento de onda Visível Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz “Light is, in short, the most refined form of matter.” Louis de Broglie Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz Introdução à Fotônica Óptica Origem Propagação Detecção Fotônica Combinação:(anos 60) Tecnologia luz Eletrônica Expansão:(anos 80) Processos envolvendo lasers Efeitos ópticos não-lineares Estatística da luz QED Ópt Quântica Ópt Física Ópt Geom Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz Introdução à Fotônica Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz Introdução à Fotônica Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

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2. Propriedades e Descrição da Luz Introdução à Fotônica Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz Introdução à Fotônica Óptica Geométrica Fermat reversibilidade ex: reflexão interna total Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Young’s Two-Slit Experiment What happens when light passes through two slits? Light pattern that emerges “fringes” The idea is central to many laser techniques, such as holography, ultrafast photography, and acousto-optic modulators. Tests of quantum mechanics also use it. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz Diffraction Light bends around corners. This is called diffraction. Light patterns after passing through rectangular slit(s): One slit: Two slits: The diffraction pattern far away is the Fourier transform of the slit transmission vs. position. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Equações da óptica física: as equações de Maxwell campo elétrico, campo magnético, r densidade de carga, e permitividade, m permeabilidade. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Light is not only a wave, but also a particle. Photographs taken in dimmer light look grainier. Very very dim Very dim Dim Campo EM ou matéria quantizada? Bright Very bright Very very bright When we detect very weak light, we find that it is made up of particles. We call them photons. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz O “The Laser” Um laser é um meio que armazena energia, cercado por uma cavidade refletora. Fótons entrando neste meio promovem emissão estimulada. Desta forma, a irradiação saindo do medium excede a que entra. Uma saída parcialmente refletora deixa sair uma fração da luz. O “the laser” leisa se o feixe é amplificado durante um ciclo: isto é, se I3 > I0. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Propriedades dos fótons  quantização dos campos EM velocidade freqüência freqüência angular comprimento de onda vetor de onda número de onda cvácuo = 2.998 ·108 ms-1 n, [Hz] = [s-1] w = 2pn, [rad s-1] l = c/n , [m] k = 2p e ,  | k |, [m] l n = 1/l , [cm-1] Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz Photons The energy of a single photon is: hn or = (h/2p)w where h is Planck's constant, 6.626 x 10-34 Joule-sec. One photon of visible light contains about 10-19 Joules, not much!. F is the "photon flux," or the number of photons/sec in a beam. F = P / hn where P is the beam power. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Propriedades dos fótons energia momento linear momento angular massa fase interação E = hn  h = 6.626 ·10-34 Js E = hc·v,  hc = 1239.8eV·nm p =  h k ,  |p| = h = E 2p l c j = ± h e 2p mfóton  |p| = hv c c2  entre fótons s  10-72 cm2  fluxo > 1086 cm-2 s-1 Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Fótons possuem momenta Se um átomo emite um fóton, ele recolhe no sentido oposto. fótons emitidos átomos energia de excitação Se átomos são excitados, e posteriormente emitem luz, o feixe atômico excitado expande muito mais que átomos não excitados, ou que ainda não emitiram. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Propriedades dos fótons  pRíNcíPio dE InceRTeZa PaRa FÓtonS posição e momentum posição e ângulo energia e tempo freqüência e tempo px x w q u t F{u} u n Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Fourier decomposing functions plays a big role in optics. Here, we write a square wave as a sum of sine waves of different frequency. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz The Fourier transform is perhaps the most important equation in science. It converts a function of time to one of frequency: and converting back uses almost the same formula: Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Photons--Radiation Pressure Photons have no mass and always travel at the speed of light. The momentum of a single photon is: h/l, or Radiation pressure = Energy Density (Force/Area = Energy/Volume) When radiation pressure cannot be neglected: Comet tails (other forces are small) Viking space craft (would've missed Mars by 15,000 km) Stellar interiors (resists gravity) PetaWatt laser (1015 Watts!) Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Propriedades dos fótons  Pr o pried ade s Estat ísti cas de Campos de Fó tons iNceRtEza de Número de fótons e Fase: resultando na relação: No campo macroscópico: |E| f |E| f |E| f |E| f Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Pr o pried ade s Estat ísti cas de Campos de Fó tons Feixes elementares: limitados por difração e largura de banda w q cDt Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Pr o pried ade s Estat ísti cas de Campos de Fó tons radiação de corpo negro ditribuição / dt largura luz térmica luz laser t t Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

Counting photons tells us a lot about the light source. Random (incoherent) light sources, such as stars and light bulbs, emit photons with random arrival times and a Bose-Einstein distribution. Laser (coherent) light sources, on the other hand, have a more uniform distribution: Poisson. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz

2. Propriedades e Descrição da Luz Photons "What is known of [photons] comes from observing the results of their being created or annihilated." Eugene Hecht What is known of nearly everything comes from observing the results of photons being created or annihilated. Fotônica 2. Propriedades e Descrição da Luz