MEDIR COM LUZ Isabel Godinho DMET 20 maio 2015

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1 MEDIR COM LUZ Isabel Godinho DMET 20 maio 2015

2 Resumo Dia Mundial da Metrologia - Convenção do Metro Conceitos Metrológicos da Luz Luz na Metrologia No IPQ Na Sociedade Perspetivas de I&D Isabel Godinho DMET

3 3 Dia Mundial da Metrologia AG Nações Unidas, a UNESCO e outros organismos científicos anunciaram 2015 como o Ano Internacional da Luz e das Tecnologias baseadas na Luz Reconhecimento do papel essencial e transversal da Luz e das Tecnologias baseadas na Luz, na vida quotidiana, na ciência, na tecnologia e na cultura O dia 20 de maio é consagrado pela comunidade metrológica internacional como o Dia Mundial da Metrologia As Medições e a Luz celebrando a assinatura da Convenção do Metro em Paris

4 Portugal assinou a Convenção do Metro grupo de 17 países signatários Convenção do Metro Estabelece o quadro para a colaboração global na ciência da medição e suas aplicações aos setores da industria, do comércio e social Objetivo - Uniformidade Mundial de Medição continua tão importante hoje como era em ª CGPM H. de Macedo Delegado Português 4

5 5 Convenção do Metro Cópias n 10 do metro e do quilogramapadrão atribuídos a Portugal

6 6 Convenção do Metro A adoção de um Sistema de Unidades de medida Sistema Internacional de Unidades (SI) Decreto-Lei n.º 128/2010, de 3 de dezembro A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de medida apropriados às respetivas necessidades nacionais

7 7 Convenção do Metro Esse sistema compreende: A adoção de um Sistema de Unidades de medida Sistema Internacional de Unidades (SI) A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de medida apropriados às respetivas necessidades nacionais

8 8 Sistema Internacional de Unidades - SI Redefinição do SI - prevista para 2018 Unidades de base do SI definidas através de constantes físicas e atómicas, realizadas através de efeitos quânticos Metrologia baseia-se em padrões universais e imutáveis independentes do tempo e do espaço quilograma - constante de Planck h kelvin - constante de Boltzmann k ampere - carga elementar e mole - constante de Avogadro N A

9 9 Convenção do Metro Esse sistema compreende: A adoção de um Sistema de Unidades de medida Sistema Internacional de Unidades (SI) A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de medida apropriados às respetivas necessidades nacionais

10 10 Metrologia Científica Metrologia Aplicada Metrologia Legal Museu de Metrologia 52 Domínios laboratoriais 31 Técnicos (85 % com grau universitário) m 2 Laboratoriais Calibrações 160 Preparações e Certificações de Materiais de Referência 1050 Verificações de Controlo Metrológico 183 Capacidades de Medição e Calibração 21 Matrizes 150 Comparações Interlaboratorias Internacionais e 102 Nacionais Departamento de Metrologia 3,5 M de Receitas Correntes 727 Entidades Qualificadas para o Controlo Metrológico Legal 300 Clientes de Metrologia Aplicada 21 Aprovações de Modelo 39 Diplomas Regulamentares em Vigor Museu: espólio peças e documentos; 1964 Visitantes Museu (ensino básico)

11 11 A luz tem um lugar central na vida e na cultura humana, desde a utilização do fogo pelos povos primitivos, sendo a pintura e a escultura uma das manifestações mais comuns Todas as artes mais recentes historicamente que a pintura e a escultura - cinema, fotografia, banda desenhada, são dependentes da luz e da visão Conceitos Metrológicos da Luz Astronomia e os instrumentos a ela associados que permitiram determinar a posição das estrelas

12 12 Durante muito tempo, o estudo da luz vindo das estrelas foi a única fonte de informação sobre o movimento e a constituição dos astros Foi também a partir dessas primeiras observações que se deduziram as primeiras medições do tempo, dando posteriormente origem aos calendários Conceitos Metrológicos da Luz A invenção do microscópio (Hans Janssen 1590) e do telescópio (Galileu Galilei ), marcaram a revolução científica do século XVI e XVII, impulsionando o desenvolvimento da biologia e das ciências da Terra

13 13 A evolução do conhecimento sobre a formação das imagens potenciou a teoria da ótica de Fourier, que está na origem da holografia e dos discos digitais No início do século XX, o estudo das propriedades da luz esteve na base da invenção e do desenvolvimento e da teoria da relatividade e da mecânica quântica Conceitos Metrológicos da Luz

14 14 Conceitos Metrológicos da Luz A noção de quantum de energia permitiu explicar a distribuição espectral da luz emitida por um corpo incandescente base das conceções atuais da estrutura e das propriedades da matéria

15 15 Conceitos Metrológicos da Luz Os progressos neste último domínio levaram à invenção do laser (Gordon Gould- 1957) e ao estudo das propriedades não-lineares da interação luz-matéria Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation + Ne _ Para concentrar o ganho 3 % para He-Ne

16 A ótica integrada tem seguido os passos da eletrónica, tornando possível o transporte por fibra ótica, de grandes quantidades de informação, com perdas residuais de energia em percursos da ordem de vários milhares de km O sinal é transformado em luz, através de conversores integrados nos transmissores: Laser - fibras monomodo telecomunicações > 1 km LED - fibras multimodo diâmetro superior, telecomunicações curta distância ou para transmitir uma quantidade elevada de potência Conceitos Metrológicos da Luz 16

17 17 Conceitos Metrológicos da Luz É possível considerar três modelos para descrever os domínios da metrologia da luz : Modelo da ótica geométrica feixe de luz A luz movimenta-se em linha reta, dando origem aos raios luminosos Os raios luminosos constituem um instrumento ideal para definir alinhamentos, referenciar posições e medir ângulos São materializados por um feixe laser, que pode percorrer distâncias da ordem da dezena até à centena de metros Aplicações da ótica geométrica: medição do índice de refração Refratometria: utilizada, por exemplo, na determinação da concentração de açúcar na indústria vitivinícola

18 18 Conceitos Metrológicos da Luz Modelo da ótica ondulatória Ótica física ou Ótica quântica A luz é uma radiação eletromagnética caracterizada por uma variação periódica de um vetor luminoso perpendicular à direção de propagação, definida pela frequência n, energia E, ou comprimento de onda l As radiações visíveis - consideradas nos fenómenos da ótica permitem interpretar e efetuar medições interferométricas de elevada exatidão Frequência: 395 THz a 790 THz Comprimento de onda : 380 nm a 760 nm Energia: 1,7 ev a 3 ev

19 19 Conceitos Metrológicos da Luz As aplicações da velocidade da luz obedecem às leis da ótica geométrica mas também ao modelo ondulatório: LIDAR (Light Detection And Ranging): tecnologia ótica de deteção remota que mede propriedades da luz refletida de modo a obter a distância e informação de objetos medição de distâncias em geodesia, em estudos atmosféricos, telemetria ou identificação de alvos no setor militar RADAR (Radio Detection And Ranging): deteção objetos a longas distâncias Formação de imagens

20 Conceitos Metrológicos da Luz A interferometria é uma das técnicas mais exatas determinação de uma fração do comprimento de onda associado à radiação emitida pelo laser nm Interferómetro Michelson Espelho Referência Espelho Medição 2 feixes interferem com uma amplitude que depende da fase 20

21 21 Conceitos Metrológicos da Luz Espelho Referência Alvo Estático: Medição Distância através medição FASE d l 2 2 Alvo Movimento: Contagem FRANJAS d = (f f / f) (l / 8) Espelho Medição

22 22 Conceitos Metrológicos da Luz O caráter vetorial das ondas introduz métodos baseados sobre os estados de polarização da luz que influenciam o seu comportamento quando em interação com a matéria, dando origem à polarimetria (a ciência da medição da polarização da luz) e à elipsometria (polarimetria das superfícies) A ação sobre a luz polarizada pode ser intrínseca ao material ou induzida, dando origem à fotoelasticimetria (técnica para medir deformações)

23 23 Conceitos Metrológicos da Luz O terceiro modelo considera as medições das grandezas derivadas da energia associada à luz, quer através da visão, ou de recetores físicos Fotometria: está associada à iluminação Espectrofotometria: é uma das ferramentas mais eficazes de análise, utilizada na astronomia, na ciência dos materiais e na biologia Pirometria: medição de temperatura sem contacto Colorimetria - medição das cores: aplicações nos setores das tintas e corantes, alimentar, saúde e artes Optoelectrónica: associada à informática - tem criado novas perspetivas para comunicações mais fiáveis e com melhor desempenho Medição da luz iluminância Unidade SI: lux fluxo luminoso Unidade SI: lúmen intensidade luminosa Unidade SI: candela

24 24 Conceitos Metrológicos da Luz A implementação de fontes e de detetores monofotónicos tem possibilitado o desenvolvimento de uma nova tecnologia quântica, baseada em tecnologias de ótica quântica Max Planck (1899): refere que luz podia ser quantificada - modelou a radiação do corpo negro, assumindo que a troca de energia entre a luz e a matéria ocorria em quantidades discretas quanta Criptografia Quântica - Teletransporte Quântico - Computação Quântica

25 25 metro (m) - Unidade de Base do Sistema Internacional da Grandeza Comprimento O comprimento do trajeto percorrido pela luz, no vazio, durante um intervalo de tempo de 1/ do segundo. (17ª CGPM, 1983) Realização da definição do metro Luz na Metrologia - IPQ comprimento de onda no vazio l, de uma onda plana eletromagnética de frequência f, obtido a partir da medição de f utilizando a relação l = c 0 / f Incerteza relativa de calibração Uma só frequência padrão (473 THz)

26 oscilador de césio 26 Prémio Nobel da Física em 2005 Roy Glauber - descrição teórica da física quântica aplicada à ótica John Hall Theodor Hänsch - pesquisa e desenvolvimento na área de espectroscopia laser com a técnica de geração de pentes de frequências de femtosegundo e sintetização de frequências óticas Evolução das técnicas de medição e consequentemente a evolução da realização prática da definição do metro Luz na Metrologia - IPQ Sintetizador de Frequências Óticas (SFO), permite a geração de qualquer frequência do espectro ótico (em vez de apenas uma, como a emitida por laser He-Ne), com uma incerteza relativa próxima da do oscilador de césio (10-15 ) O SFO relaciona uma frequência ótica com uma frequência de 10 MHz, emitida pelo

27 Sintetizador Frequências Óticas Luz na Metrologia - IPQ Laser Femtosegundo (Gerador de Impulsos) Ti:Safira, capacidade de emitir um feixe laser pulsado com l de 800 nm, com impulsos inferiores a 12 fs separados por uma frequência de repetição, + Interferómetro não linear + Fibra ótica não linear microestruturada f rep f 0 f beat f laser = n f r f o f beat n c l f r n - número de modos acoplados, que para uma determinada frequência de repetição, contribuem para o batimento Laser externo 27

28 28 Luz na Metrologia - IPQ Sintetizador de Frequências Óticas Realização prática do metro Laser IPQ2 Laser IPQ3 Blocos-padrão Interferómetros Máquinas de medição de coordenadas Paquímetros Relógios atómicos 10 MHz Incerteza 10-13

29 29 Comparação de Lasers Luz na Metrologia - IPQ Consiste em medir a frequência de batimento produzida pela sobreposição dos dois feixes sintonizando em duas frequências distintas, da risca do espectro de absorção da célula de 127 I 2, e medindo a frequência de batimento. Conhecendo a frequência de um dos lasers e medindo a frequência de batimento obtémse a frequência do outro laser Frequência de batimento f beat = f LR -f L

30 Luz na Metrologia - IPQ candela (cd) - Unidade de Base do Sistema Internacional da Grandeza Intensidade Luminosa A intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de frequência Hz e cuja intensidade energética nessa direção é 1/683 watt por esterradiano Laboratório de Fotometria do Instituto Português da Qualidade é responsável pela manutenção do padrão nacional da candela e de grandezas derivadas, assegurando a disseminação e a rastreabilidade metrológica dos resultados de medição ao SI Banco fotométrico (3,5 m) do Laboratório de Fotometria do IPQ

31 Luz na Metrologia - IPQ Fotometria e Radiometria realização do padrão nacional da candela e calibração de instrumentos de medição fotométricos e radiométricos (lâmpadas-padrão e fotómetros) Refratometria padrões nacionais de índice de Refração (Calibração refratómetros para fase líquida, Certificação de soluções padrão) Radiofrequêcia Ensaios de Controlo Metrológico de cinemómetros de fiscalização de limites de velocidade rodoviária Padrões nacionais do metro e do segundo + padrões internacionais Lâmpadas, fotómetros, luxímetros Espectrofotómetros, filtros, 31

32 Laboratório de Fotometria Luz na Metrologia - IPQ CMC na KCDB do BIPM (desde ) Calibração de Lâmpadas em Intensidade Luminosa, entre 50 cd e 1000 cd Calibração de Fotómetros Calibração de Luxímetros em iluminância, entre 5 lx e 1000 lx U rel = 1,6 % EURAMET PR-K3a Luminous Intensity 32

33 33 Luz na Metrologia - IPQ aceleração (a) Unidade derivada do Sistema Internacional - m s -2 A rastreabilidade nacional assegurada pela implementação de um sistema experimental de calibração absoluta de acelerómetros, por interferometria laser com deteção homodina excitação sinusoidal e interferómetro de Michelson permitindo determinar o valor de aceleração em função do número de máximos ou mínimos de intensidade do sinal ótico Intervalo de medição: 40 Hz Hz Valores de incerteza expandida < 1 %

34 34 Luz na Metrologia - IPQ d = (f f / f ) (l / 8) d l 2 2 a = (2 f) 2 d Franjas espaciais - alternância sinusoidal de máximos e mínimos de intensidade.

35 Aplicações LASER Luz na Metrologia - Sociedade Medicina - A utilização do laser em cirurgia de elevada precisão, oftalmologia, estética, e aplicações médicas de tratamentos e diagnóstico Militar e Defesa Laser e dispositivos de elevada potência utilizados para afetar, por ação direta, os alvos e levar à sua destruição Marcação de alvos Sistemas de defesa contra mísseis, foguetes e morteiros 35

36 36 Luz na Metrologia - Sociedade Segurança - Imagens holográficas de identificação e segurança Cultura - leitura de DVD e CD por laser revolucionou a produção, banalizando o consumo na sociedade moderna

37 37 Luz na Metrologia - Sociedade Telecomunicações Lasers ultravioleta para fabricar microestruturas eletrónicas - chips de computador Lasers de díodo de pequenas dimensões - telecomunicações de banda larga através de fibras óticas Códigos de Barras Tecnologia de leitura de códigos de barras generalizados a variados tipos de identificações

38 Perspetivas de I&D 38

39 39 Perspetivas de I&D Iluminação otimizada das cidades através de iluminação de estado sólido - LED Produção de energias limpas Tecnologias Fotovoltaicas Solares Estudo das alterações climáticas medição direta da energia solar a partir de satélites, apoiando a compreensão da contribuição da irradiância solar na alteração do clima

40 40 Perspetivas de I&D Em 2004, mais de 10 % da energia elétrica produzida era utilizada para a iluminação, maioritariamente com lâmpadas de incandescência eficiência energética 5 % emitem 27 % de radiação na região espectral do visível Em 2012 (indicação da Comissão Europeia), as lâmpadas por incandescência passaram a ser substituídas por lâmpadas fluorescentes (Hg) e lâmpadas de halogénio, de maior eficiência energética Dispositivos emissores de luz - LED Dispositivos emissores de luz (LED) - lâmpadas de estado sólido (SSL) dobro da eficiência energética das lâmpadas fluorescentes

41 41 EURAMET - EMRP Perspetivas de I&D ENG05 Lighting - Metrology for Solid State Lighting (IPQ) Contribuiu para a implementação em grande escala e aplicação de SSL e para poupança de energia através do desenvolvimento, validação e divulgação de metrologia adequada para a caracterização inequívoca de produtos de iluminação de estado sólido ENG62 MESaIL - Metrology for efficient and safe innovative Lighting Estudo e desenvolvimento da metrologia de OLED / matrizes OLED e SSL pulsada e satisfazer as necessidades metrológicas para sistemas LED nano-estruturados e flexíveis. OLED (organic light-emitting diode) em que a camada de emissão eletroluminescente é um filme orgânico que emite luz em resposta a uma corrente elétrica. Esta camada de semicondutor orgânico fica situado entre dois elétrodos (1 transparente) - usados em écrans digitais

42 EURAMET - EMRP SIB58 Angles - Angle metrology Realização prática da mensuranda radiano e a disseminação da unidade: desenvolvimento da metrologia angular (autocolimadores, refletores), sistemas de posicionamento angular para disseminação da unidade de ângulo plano - radiano, através do método da divisão do círculo - incertezas de calibração < 0,01 SIB60 Surveying - Metrology for long distance surveying Perspetivas de I&D Melhorar a rastreabilidade e reduzir a incerteza da medição de longas distâncias ( 600 m) melhorar a base metrológica associada à Topografia, Geodesia e Ciências da Terra Laser Femtosegundo Metrologia de Longas Distâncias: Incerteza 10-7 para distâncias de 50 m 42

43 43 EURAMET - EMRP Perspetivas de I&D SIB02 Comparing clocks across Europe Utilização de fibra ótica (em vez de satélites): Desenvolvimento de métodos para comparar remotamente relógios óticos, separados por distâncias de até 1500 km Objetivo: reduzir a contribuição da ligação por fibra ótica para a incerteza da calibração de frequência contribuir para a redefinição do segundo e a disseminação do tempo atómico através de fibra ótica, contribuindo para backups de sincronismo GPS em redes de energia e redes móveis de telecomunicações

44 44 Perspetivas de I&D EMRP Call Energy

45 45 Perspetivas de I&D EMRP Call Environment

46 46 EMRP Call Energy & Environment Perspetivas de I&D

47 47 EMRP Call Energy & Environment Perspetivas de I&D

48 Obrigada pela vossa atenção Isabel Godinho IPQ