Desenvolvimento e Caracterização de um Desenvolvimento e Caracterização de um Modelador Óptico ProgramávelModelador Óptico Programável

Guilherme Cañete VebberGuilherme Cañete Vebber

Orientador: Ricardo R. B. CorreiaColaboradores: Ismael A. Heisler e Jorge A. Lisbôa

Modeladores ÓpticosModeladores Ópticos

Dispositivos capazes de manipular o perfil de propagação da luz através de modulações de fase e amplitude

Perfil de Entrada Perfil de Saída

ΔAModelador

ÓpticoA0A1

Modulaçãode Amplitude

Φ0 Φ1

ΔΦ

Φ0 Φ1

ModeladorÓptico

Modulaçãode Fase

MODELADOR

DIVISOR DE FEIXE

Modelador Óptico EspacialModelador Óptico EspacialModeladores Ópticos

IMAGEM FINAL

IMAGEM INICIAL MODELADOR

Modelador Óptico Espectral

Pulso de entrada Pulso de saída modelado

Máscara

Compo

nente

s

espec

trais

Modeladores ÓpticosModeladores Ópticos

AplicaçõesAplicações Filtro Óptico Espectral: pulsos FTL (limitados por transformada de Fourier) sintonizáveis

Correção de Fase: pulsos mais curtos e intensos

Modeladores Ópticos Espectrais

WEINER, A. M. Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, v. 71, n. 5, p. 1929-1960, Maio 2000.

Medicina: tomografia óptica coerente (OCT)

AplicaçõesAplicações Modeladores Ópticos Espectrais

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.

Compensação de Dispersão:Compensação de Dispersão: OriginalOriginalPré-compensadoPré-compensado

ModeladoModelado

Correção de faseCorreção de fase

Codificação de Pulsos:Codificação de Pulsos:CompensaçãoCompensaçãode Dispersão:de Dispersão:

OriginalOriginal

ModeladoModelado

Correção de faseCorreção de fase

Pré-compensadoPré-compensado

Telecomunicações: codificação e controle da dispersão

AplicaçõesAplicações Modeladores Ópticos Espectrais

Máscara (LC-SLM):

Campo elétrico dos pulsos modelados:

Configuração Experimental: Princípio Físico:Princípio Físico:

Máscara (LC-SLM):Configuração Experimental:Princípio Físico:Princípio Físico:

Modeladores de Cristal Líquido (LCM)Modeladores de Cristal Líquido (LCM)Modeladores Espectrais Programáveis

Modeladores Acusto-Ópticos (AOM)Modeladores Acusto-Ópticos (AOM)

Configuração Básica:

Transdutor PZT

Modeladores Espectrais Programáveis

Λ

Lλ

la

Cristal Modulador:

Modeladores de Espelho DeformávelModeladores de Espelho Deformável

Configuração Básica:

Modeladores Espectrais Programáveis

Lateral:

Frontal:

Construção do EPZARConstrução do EPZAR

Piezoeletricidade:

Efeito Piezo

Efeito PiezoInverso

Construção do EPZAR

Atuadores PiezoelétricosAtuadores Piezoelétricos

Atuadores PiezoelétricosAtuadores Piezoelétricos

Aplicações dos PZT’sAplicações dos PZT’s::

Alarmes sonoros Campainhas Alto-falantes Relógios Acendedores de fogão e isqueiro Ultrassom (sonar) NanoposicionamentoNanoposicionamento: microscopia de força atômica, genética (manipulação de genes), modelagem óptica,...

Materiais: sólidos cristalinos não centro-simétricos (atualmente, baseiam-se em titanato zirconato de chumbo e titanato de bário)

Construção do EPZAR

Controlador de TensõesControlador de Tensões

Interface LabVIEWTM:

Construção do EPZAR

Programa desenvolvido por: Ismael A. HeislerCircuito gerador projetado por: Jorge A. Lisbôa

Espelho DeformávelEspelho Deformável

Planicidade + FlexibilidadeSubstrato inteiriço

Apesar de boa planicidade, pouca flexibilidade (deformação insuficiente)

(amostras com 300μm de espessura)

Construção do EPZAR

x Substrato com ranhuras

Perfilometria ÓpticaPerfilometria Óptica

Montagem:

Caracterização do EPZAR

Programa (LabVIEWTM):

Método de Análise InterferométricaMétodo de Análise Interferométrica

Y (u

nid.

arb.

)

X (unid.arb.)

Programa (LabVIEWTM):

Perfilometria Óptica

ResultadosResultadosPerfilometria Óptica

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

ResultadosResultados

Teste: Otimização de frente de ondaTeste: Otimização de frente de onda

Montagem:

Indivíduo

23

Parâmetro de Aptidão(~ sinal experimental resultante)

Configuração do espelho: 32 valores de tensãoValor de tensão (0-100V)

GeneGene

Recombinação Mutação

Geração

23 2818 20 26

Seleção Melhores

7784 88

MelhorIndivíduo

100

Indivíduo

23Parâmetro de Aptidão

Algoritmo EvolutivoAlgoritmo EvolutivoTeste: Otimização de frente de onda

Recombinação Mutação

Seleção Melhores

7784 88

Evolução:

Geração

23 2818 20 26

128 indivíduos16 indivíduos

30 geraçõesDesenvolvido e aperfeiçoado por: Ismael A. Heisler e Tiago Buckup (e colaboradores)

Teste: Otimização de frente de onda

ResultadosResultados

ResultadosResultadosTeste: Otimização de frente de onda

Conclusão e PerspectivasConclusão e PerspectivasDesempenho 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

FimObrigado pela atençãoPerguntas…

Espelho Deformável Micromaquinado (MMDM)Espelho Deformável Micromaquinado (MMDM)

Arranjo de 39 atuadores:Arranjo de 39 atuadores:

26mm

7,5mm

Características:

Construção simples (exceto espelho)Atuadores eletrostáticosModulação unidimensional e continuamente variável Baixa resolução espacial: 2mmMédia taxa de reprogramação: ~ 1kHzAmplitude máxima de deflexão: 4μm (ΔΦ = 29,5π para λ = 543nm)

Modeladores de Espelho Deformável

Modulador Espacial de Luz por Microssistema Modulador Espacial de Luz por Microssistema Eletromecânico (MEMS-SLM)Eletromecânico (MEMS-SLM)

240 x 200 microespelhos:240 x 200 microespelhos:

9,6mm

8mm

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)

Modeladores de Espelho Deformável

DispositivoDispositivoImagem ampliadaImagem ampliada

Refletor Deformável Piezoatuado (PADRE)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)

Modeladores de Espelho Deformável

Espelho Deformável Piezo-BimorfoEspelho 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)

Modeladores de Espelho Deformável