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Aula Final de Aula Final de LaboratórioLaboratório de de FísicaFísica GeralGeral IVIV

PrincípiosPrincípios e e AplicaçõesAplicações de de ÓpticaÓptica

Instituto de Física de São CarlosLaboratórios de Ensino de Física LEF

Prof. Luiz Antonio de Oliveira NunesProf. Eduardo Ribeiro de AzevêdoTecnico de Lab. Ércio Santoni

SUMÁRIOSUMÁRIO

Instituto de Física de São CarlosLaboratórios de Ensino de Física LEF

•• Onda Eletromagnética.Onda Eletromagnética.•• Espectro Eletromagnético e Luz Visível.Espectro Eletromagnético e Luz Visível.•• Refração e Reflexão.Refração e Reflexão.•• Formação de Imagens.Formação de Imagens.•• Polarização da Luz. Polarização da Luz. •• Interferência.Interferência.•• DifraçãoDifração. . •• Princípios dePrincípios de EspectroscopiaEspectroscopia Ótica.Ótica.•• EspectroscopiaEspectroscopia de Fluorescência.de Fluorescência.•• EspectroscopiaEspectroscopia de Infravermelho via Transformada dede Infravermelho via Transformada de FourierFourier..•• Espectroscopia RamanEspectroscopia Raman..•• Óptica no Infravermelho.Óptica no Infravermelho.•• Imagens no InfravermelhoImagens no Infravermelho

O que é Onda Eletromagnética?E um tipo de Onda que envolve a Oscilação de Campos Elétricos e Magnéticos

Como e Possível Gerar uma Onda Eletromagnética?2

Instituto de Física de São CarlosLaboratórios de Ensino de Física

0,4

0.7µm

fcf

T

Tctvx

=

=

==

λ

λ1..

Azul 0.4µmVerde 0.5µmVermelho 0.6µm

3

PráticaPrática I I –– RefraçãoRefração e e ReflexãoReflexão

Lei Lei dada RefraçãoRefração::

n1senθ1 = n2senθ2

Lei Lei dada ReflexãoReflexão::

θ1 = θ1’


PráticaPrática I I –– RefraçãoRefração e e ReflexãoReflexão

11--) ) DesvioDesvio dada luzluz porpor diferençasdiferenças de de índiceíndice de de refraçãorefração::


Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão33--) Guiando um Feixe de Luz e o Princípio da Fibra Ótica:) Guiando um Feixe de Luz e o Princípio da Fibra Ótica:

A Fibra ÓticaA Fibra ÓticaA “Cachoeira” de LuzA “Cachoeira” de Luz


11--) ) ReflexãoReflexão InternaInterna Total :Total :

n1 >n2senθ1 = n2/n1

Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão

Princípio de Princípio de um sensor de um sensor de chuvachuva


44--) ) BlocoBloco Semicircular :Semicircular :

n1 = (sen θ1)-1

55--) ) DesvioDesvio mínimomínimo de um de um prismaprisma ::

Prisma OcoPrisma OcoPrisma SólidoPrisma Sólido

Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão


n = sen{(δm + α)/2}/sen(α/2)

66--) ) DispersãoDispersão dada luzluz porpor um um prismaprisma ::Prática I Prática I –– Refração e ReflexãoRefração e Reflexão

Variação do índice de Variação do índice de Refração com o comp. de onda Refração com o comp. de onda da luzda luz


Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes

Olho saudável

Olho com hipermetropia Olho com miopia

33--) O ) O OlhoOlho HumanoHumano::


Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes44--) A Câmara fotográfica básica (câmara Escura ) A Câmara fotográfica básica (câmara Escura ––PinPin holehole ):):


Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes44--) A ) A CâmaraCâmara fotográficafotográfica básicabásica com com lentelente ::


Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes55--) ) AberraçãoAberração EsféricaEsférica::


Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes55--) ) AberraçãoAberração CromáticaCromática::


n1n2

Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes55--) ) MáquinaMáquina FotográficaFotográfica SimplesSimples


Alguns exemplosde lentes objetiva

EntãoEntão se um pin hole se um pin hole fazfaz o o papelpapel de de umauma lentelente, , eueu possoposso contruircontruir um um óculosóculos de pin hole .de pin hole .

Prática II Prática II –– Espelhos e LentesEspelhos e Lentes66--) ) Óculos Óculos de de Furo Furo ((ÓculosÓculos Pinhole)Pinhole)


Prática III Prática III –– Polarização da LuzPolarização da Luz


11--) ) PolarizaçãoPolarização porpor ReflexãoReflexão ::

tanθB = n2/n1(Lei de Brewster)

Prática III Prática III –– Polarização da LuzPolarização da Luz11--) ) PolarizaçãoPolarização porpor BirefringênciaBirefringência ouou DuplaDupla RefraçãoRefração ::

BirrefrngênciaBirrefrngência em um em um cristal decristal de calcitacalcita


Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência


Quais devem ser as características das ondas para ser observarinterferência ?

Interferênciaconstrutiva

Interferênciadestrutiva

22--) ) InterferênciaInterferência entreentre ondaonda planasplanas

11--) ) DescriçãoDescrição de um de um FeixeFeixe de de OndasOndas PlanasPlanas::

E(r,t) = E cos(k.r-ωt)

Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência33--) Como produzir uma diferença de fase entre dois ) Como produzir uma diferença de fase entre dois feixes coerentes ? feixes coerentes ?


a) Reflexão em uma superfície:a) Reflexão em uma superfície:

Análogo Mecânico

Se dois feixes de luz coerente percorrem caminhos óticos diferentes, existirá uma diferença de fase entre os mesmos associada a essa diferença de caminho.

b) Diferença de Caminho ótico:b) Diferença de Caminho ótico:

Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência44--) ) ObservamosObservamos interferênciainterferência emem nossonosso diadia--diadia ??


Interferênciadestrutiva

Camada anti-refletora

4

21

12

λ

λ

=

⇓

−=

d

nd

Interferência em Filmes finos

)(21

cos2

)(cos2

destrutiva

mnd

aconstrutivmnd

λβ

λβ

+=

=

Prática IV Prática IV –– InterferênciaInterferência44--) ) InterferômetroInterferômetro de Michelson:de Michelson:

InterferômetroFranjas de interferência


Prática V Prática V –– DifraçãoDifração11--) ) FendaFenda IsoladaIsolada::

Largura da linha central é invesamenteproporcional à largura da fenda


=

=⇓

==∆

θλ

π

θλ

π

λθ

πθλπ

φ

sena

sena

senII

nasen

nasen

0

212

Mínimos de difração

Prática V Prática V –– DifraçãoDifração22--) ) FendaFenda DuplaDupla::


=

=⇓

==∆

θλ

π

θλπ

θλ

π

λθ

πθλπφ

sena

sena

sensen

dII

mdsen

mdsen

20 cos

22

Máximos de interferência

Prática V Prática V –– DifraçãoDifração33--) ) MúltiplasMúltiplas FendasFendas::

Máximos de Interferência:

dsen mθ λ=(independente do número de

fendas)

Pode-se obter picos de várias ordens de alta

intensidade utilizando um sistema com um grandenúmero de fendas com

aberturas muito pequenas(rede de difraçao)


Prática V Prática V –– DifraçãoDifração44--) Grades de ) Grades de DifraçãoDifração::

Máximos de Interferência:

dsen mθ λ=

Para diferentes comprimentos de onda



Emissão do SolEmissão de uma Lâmpada Incandescente

12

Emissão de um Gás Rarefeito

13


Sistemas AtômicosSistemas AtômicosExemplosExemplos de de EspectrosEspectros atômicosatômicos::

Hidrogênio

Argônio

Nitrogênio

Oxigênio

Carbono

Ferro

Sistemas AtômicosSistemas Atômicos

Modelo de Bohr

HidrogênioÁtomoÁtomo de de HidrogênioHidrogênio::

2

13,6n

eVE

n= −

Raias de emissão e absorção são associadascom transiçõeseletrônicas permitidas

nn

hcE

λ =


Sistemas AtômicosSistemas AtômicosComparaçãoComparação do do ÁtomoÁtomo de de HidrogênioHidrogênio e o e o ÁtomoÁtomo de Hede He++::

Raias de emissão sãocaracterísticas de

cada tipo de átomo


Sistemas AtômicosSistemas Atômicos22--) ) ComplexidadeComplexidade do do espectroespectro e e EstruturaEstrutura FinaFina::

Transições no Átomo de Sódio

Spin-órbita

Espectros dos átomostornam se mais complexosse outras interações sãorelevantes


ESPECTRO DO SOL-OLHADO DA TERRA

13

Técnicas Espectroscópicas

•Espectroscopia de Absorção•Espectroscopia de Fluorescência•Espectroscopia Raman• etc.

Sódio

Cobre

Estrôncio

Impressão Digitalde um

Sistema Atômico

Níveis de EnergiaImpressão Digital de um Sistema Atômico

atomicopesoM

MMMM

Kcm

→

+=

=−

21

21

1 12,4)(

µ

µν

ESPECTROSCOPIA VIA PROCESSO DE DIFRAÇÃO

Espectroscopia por Absorção Ótica Diferencial (DOAS)

cLeII )(0 )()( λσλλ −=

LD

c)(λσ

= ( ))()(0ln)( λ

λλ IID ≡

• Espectroscopia de absorção (Beer-Lambert)

Numa aplicação DOAS as densidades óticas são da ordem de 10-4 a 10-2. Numa aplicação real devemos levar em conta outros fatores...

Substâncias Detectadas por DOAS

ESPECTROSCOPIA VIA PROCESSO DE INTERFERÊNCIA

Principio de Funcionamento do FT-IR

0 200 400 600 800 1000-3-2-101234

Interferograma

0.00 0.05 0.10 0.15 0.200.0

0.5

1.0

FFT

Espectrofotômetro de FFT-IR

1800 1600 1400 1200 1000 800

80

85

90

95

100

NICOLET 850 FT-IR

TylenolA

bsor

bânc

ia

Comprimento de onda(cm-1)

Nujol

1800 1600 1400 1200 1000 80055

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Aspirina

Tra

nsm

issã

o

Comprimento de onda (cm-1)

Nujol

NICOLET 850 FT-IR

Fluorescência

Sódio

Cobre

Estrôncio

Espectroscopia Raman

CCl4

brnnraIIW SL∝

Anti-StokesStokes

Gasolina

C=C

Ar Ambiente

OxigênioOxigênio

N2

Lidar - Radar com LaserMeio Ambiente

CODIFICADOR

MEIO DE TRANSMISSÃO

DECODIFICADOR

Transforma o som em

sinal elétrico.

Transforma o sinal elétrico

em luz. Transforma a luz em

sinal elétrico.

Transforma o sinal

elétrico em som.

DETETOR

sinal elétrico

sinal luminoso

A VELOCIDADE MÁXIMA DE TRANSMISSÃO EM FIOS DE METAL É DE 100.000.000

DE EVENTOS POR SEGUNDO.

O SINAL ELÉTRICO ESTÁ SUJEITO À

INTERFERÊNCIA ELÉTRICAS E À

COLOCAÇÃO DE ESCUTAS (GRAMPOS).

A VELOCIDADE MÁXIMA DE TRANSMISSÃO EM FIBRA

ÓPTICA É DE 200.000.000.000.000 DE EVENTOS POR SEGUNDO.

LUZ

O SINAL LUMINOSO NÃO ESTÁ SUJEITO À

INTERFERÊNCIAS ELÉTRICAS.

Comunicação Óptica

Porque não enxergamos o Infravermelho?

4

A H2O Possui uma Forte Absorção Nesta Regiãodo Espectro Eletromagnético.

Emitimos Radiação Infravermelha?Emitimos radiação na faixa de 7-10µm

0 5 10 15 20

30 Graus 700 Graus 5000 Graus

INTE

NS

IDA

DE

(u.a

.)

COMPRIMENTO DE ONDA (µm)

Câmeras no Infravermelho

SilicioHgCdTeInSbPbSe

CCD Fótons ⇒ Elétrons

Mark/1026Teletherm

•Sensibilidade 0.1 °C•Sensibilidade 0.1 °C

S.A.R.S.CÂNCERLEPRAL.E.R.

•Medida Remota da Temperatura

Saúde Pública

APLICAÇÕES CLÍNICAS DA TELETERMOGRAFIA

Diabete

Câncer de Mama

Dores Musculares

0 5 10 15 20

30 Graus 700 Graus 5000 Graus

INTE

NS

IDA

DE

(u.a

.)

COMPRIMENTO DE ONDA (µm)

Construção dos Componentes Ópticos

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