1.3.1 Interferometria Laser em Óptica Volumétrica

Transcrição

1 Em 1880, Maxwell previu que se houvesse movimento da terra através do éter, deveria resultar uma variação da velocidade da luz proporcional ao quadrado da razão entre a velocidade da terra e a velocidade da luz [38]. Porém, esta variação deveria ser muito pequena para ser detectada experimentalmente. Entretanto, em 1881, Michelson realizou sua famosa experiência utilizando-se da enorme exatidão da interferometria para medir este valor [39]. O resultado indicou que não havia qualquer movimento detectável da terra com relação ao éter, ou seja, o éter não era estacionário (arrastava-se com a terra). A experiência de Michelson conduziria à rejeição do conceito de éter, nos anos subsequentes, e fixou as bases para os fundamentos da teoria da relatividade especial. Em 1905, Einstein postulou que a luz sempre propaga-se no espaço vazio com velocidade bem definida, que é independente do estado de movimento da fonte emissora [40]. Detalhes adicionais a respeito da evolução histórica da óptica e da interferometria podem ser encontradas nas referências [38]-[40]. Nos últimos 40 anos tem havido um crescente interesse em interferometria óptica, principalmente, devido ao desenvolvimento do laser como fonte de luz com elevado comprimento de coerência. Até a primeira metade do século XX, a maioria das fontes de luz utilizadas em interferometria eram constituídas, por exemplo, por lâmpadas de vapor de mercúrio, acrescidas de filtros ópticos que isolavam a linha verde (0,546µm) de seu espectro de emissão. Este tipo de fonte produzia luz com reduzida coerência espacial e temporal, além de possuir baixíssima intensidade. Com a invenção do laser por volta de 1960, removeu-se a maioria das limitações impostas pelas fontes térmicas ou por descarga, possibilitando uma mudança substancial nas técnicas de medida. O desenvolvimento da tecnologia de semicondutores e, consequentemente, da eletrônica, proporcionou uma verdadeira revolução na interferometria óptica, através da disponibilidade de fotodetectores a base de semicondutor capazes de operar em frequências de modulação elevadas Interferometria Laser em Óptica Volumétrica Na Fig ilustra-se um interferômetro de Mach-Zehnder, no qual um feixe de laser é divido em duas frentes de ondas (através do divisor de feixes PBS1), os quais percorrem trajetos diferentes antes de se superporem novamente (com o auxílio de PBS2) sobre a superfície de um fotodiodo (PDA1 ou PDA2). A superposição dessas duas ondas constituirá o feixe de saída ou de interferência. Antes do feixe de saída (superposição dos feixes individuais) atingir o fotodiodo, atravessa uma lente divergente (L1 ou L2) que expande sua seção transversal, conforme 13

2 mostrado na Fig O resultado visual dessa superposição ocorre na forma de franjas de inteferência, tal qual as mostradas na Fig Quanto melhor o grau de superposição dos feixes na saída do interferômetro, isto é, quanto melhor o alinhamento do sistema óptico, mais espaçadas serão as franjas [41]. Desde já, adianta-se que quanto menor o número de franjas, mais sensível torna-se o interferômetro, por exemplo, na medida de grandezas físicas. Figura 1.10 Interferômetro de Mach-Zehnder. Figura 1.11 Franjas de interferência. Quando ocorre alguma perturbação em um dos ramos do interferômetro (o ramo sensor) em relação ao outro (o ramo de referência), as franjas deslocam-se paralelamente sobre um anteparo, o que pode ser observado visualmente. A utilização de um fotodiodo para perceber o movimento das franjas, pode proporcionar a automatização eletrônica do processo. Aplicações 14

3 de interferometria para medir amplitudes de vibração, aceleração, temperatura, etc., são amplamente publicadas na literatura [42]-[43]. Para isto, é necessário estabelecer qual o grau de correlação entre a grandeza que deseja-se medir, cujo fenômeno físico associado causa a perturbação no caminho óptico de um dos braços do interferômetro, e o movimento das franjas. Além do Mach-Zehnder, uma outra configuração bastante utilizada na prática corresponde ao clássico interferometro de Michelson, mostrado na Fig.1.12 [44]. Neste arranjo, novamente, divide-se o laser da fonte em duas porções (com o divisor de feixes ou beam splitter), que percorrem os braços do interferômetro e refletem-se em espelhos ou superfícies de amostras, retornam ao beam splitter e são recombinadas sobre um fotodetector. A sensibilidade desse sistema é o dobro da anterior, pois cada raio percorre os braços duas vezes (ida e volta). Figura 1.12 Interferômetro de Michelson. A interferometria óptica se destaca pela extrema sensibilidade na transdução de grandezas físicas e químicas para sinais elétricos. Isto acontece porque o comprimento de onda óptico é muito pequeno (da ordem de 1µm) e a velocidade da luz é extremamente elevada (da ordem de 3 x 10 8 m/s). Com isto, pequenas variações de caminho óptico (produto entre o comprimento de interação e o índice de refração do meio sensor) podem causar variações de fase óptica 15

4 significativas. Para se ter uma idéia de tal sensibilidade, cita-se que, no caso de sensores de deslocamentos, amplitudes de vibração da ordem de poucos ängstroms têm sido regularmente detectadas. Naturalmente, esses níveis de sensibilidade só podem ser atingidos em ambientes laboratoriais com condições bem comportadas. Neste aspecto, afirma-se que quanto menor as dimensões do interferômetro maior será sua imunidade à perturbações ambientais espúrias como vibrações mecânicas, gradientes de temperatura, etc. Na Fig.1.13 ilustra-se um aparato experimental típico de um interferômetro de Michelson em óptica volumétrica e com pequenas dimensões. Dispositivos ópticos de precisão e estágios de translação/rotação micrométricos são utilizados. Figura 1.13 Arranjo experimental de um Interferômetro de Michelson. Na Fig.1.14, ilustra-se um interferômetro de Michelson miniaturizado, fabricado com a tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), cuja dimensão não ultrapassa 1 mm 2 [45]. Nas próximas seções, serão discutidas também, as estruturas interferométricas em óptica integrada, cujas dimensões são microscópicas. Na Fig.1.15 ilustra-se um arranjo prático conhecido como laser-ultrasound, uma tecnologia amplamente usada na caracterização de materiais e na inspeção não-invasiva de estruturas auto-motivas e aeronaves [46]. No arranjo, um pulso de laser atinge a superfície que deseja-se analisar causando um aquecimento pontual (embora não seja suficiente para danificála), e daí, ocorre a geração de uma onda elástica superficial que propaga-se afastando-se do ponto de incidência. Esta vibração micrométrica pode, então, ser detectada por um 16

5 interferômetro de Michelson e, partir daí, medir-se a amplitude da vibração, a atenuação da onda, a velocidade de propagação, etc. Além disso, a existência de defeitos ou fraturas superficiais (ou mesmo internas) podem ser percebidas, possiblitando-se serviços de manutenção preditiva. Uma característica atraente nesta técnica, é ser totalmente não invasiva e sem contato físico entre o sensor e a amostra. Com isso, o sensor não influencia a grandeza que está sendo medida. Figura 1.14 Interferômetro de Michelson em tecnologia MEMS. Figura 1.15 Técnica de laser-ultrasound. Um interferômetro de Michelson pode ser modificado para se explorar o que acontece ao longo da seção transversal do feixe de laser, como mostrado na Fig.1.16 a). Este interferômetro opera com luz branca, beneficiando-se das propriedades de convolução e correlação proporcionadas pela interferência óptica sob condições específicas [47]. Na Fig. 1.16b), ilustra- 17

6 se uma aplicação potencial deste sistema, no levantamento do perfil de rugosidade de uma superfície. O perfil lateral da moeda é obtido a partir da distribuição de intensidade óptica detectada pela câmera CCD. (a) (b) Figura 1.16 Interferometria com luz branca. a) Arranjo do interferômetro em óptica volumétrica. b) Levantamento do perfil lateral de uma moeda Interferômetros a Fibra Óptica A partir dos anos 70, o desenvolvimento da tecnologia de produção de fibras ópticas monomodo com elevada transmissão adquiriu notável avanço [48]. Com o auxílio de dispositivos, como o acoplador direcional, tornou-se possível a implementação de interferômetros de dois feixes totalmente em fibra óptica. Tais sistemas possuem vantagens singulares como, por exemplo, a capacidade de acomodar comprimentos de caminhos ópticos muito longos em pequenas dimensões físicas e com baixíssimo peso. São portáteis e podem ser montados segundo diferentes versões como o interferômetro de Mach-Zehnder, de Michelson, de Sagnac, de Fabry-Perot, polarimétrico, intermodal, e outros. Finalmente, o desenvolvimento de dispositivos compatíveis com esta tecnologia permitiram a implementação de uma grande variedade de sensores, dentre os quais citam-se, os sensores de deslocamento, pressão, rotação, aceleração, temperatura, campo elétrico, campo magnético, e muitos outros [49]. 18

7 Como a técnica interferométrica é capaz de perceber variações extremamente pequenas de caminho óptico, então, variações mínimas no comprimento ou no índice de refração de uma fibra óptica podem ser detectadas, bastando fazer com que a fibra constitua um dos ramos do interferômetro. Na Fig.1.17 ilustra-se uma fibra enrolada sobre um mandril, para fins de detectar valores de pressão [50]. Ao se contrair ou expandir, o mandril causa contração ou elongação da fibra óptica, que podem ser detectadas num interferômetro. Na figura é mostrado também um arranjo que utiliza elastômero solidário à fibra óptica (cobertura ou capa), que se contrai ou expande conforme o valor da pressão aplicada. Variações mínimas no índice de refração da fibra óptica podem, então, ser facilmente detectadas e correlacionadas com a pressão. Figura 1.17 A fibra óptica como elemento sensor. Na Fig.1.18 é mostrado como implementar um interferômetro de Michelson em fibra óptica, onde somente a bobina sensora deve ser exposta à grandeza física de interesse [51]. A bobina de referência deve ser mantida em condições estabilizadas. Com o auxílio de acopladores direcionais, o sistema pode ser constituído totalmente em fibra óptica. Como a luz encontra-se confinada na fibra, não existem problemas associados com o desalinhamento óptico dos componentes, e assim, adquire-se grande robustez e portabilidade. Com o auxílio de dois acopladores direcionais, implementa-se um interferômetro de Mach-Zehnder em fibra óptica, conforme esquematizado na Fig

8 Figura 1.18 Interferômetro de Michelson em fibra óptica. Figura 1.19 Interferômetro de Mach-Zehnder em fibra óptica. Na Fig.1.20 a) ilustra-se uma aplicação consagrada dos sensores em fibra óptica. Trata-se do sensor de rotação ou giroscópio a fibra óptica, constituído a partir do interferômetro de Sagnac [52]. Neste interferômetro, o feixe de laser é dividido em duas porções (através do IOC), que se propagam em sentidos contrários ao longo de uma bobina de fibra óptica. Efeitos 20

9 relativísticos estabelecem que a intensidade óptica, da superposição dos feixes ao saírem do rolo de fibra, é modulada em fase pela rotação mecânica da bobina. Taxas de rotação da ordem de décimos de grau por hora têm sido detectadas e relatadas por diversos autores. Na Fig.1.20 b), é mostrada uma fotografia de um típico dispositivo comercial [53]. (a) (b) Figura 1.20 Interferômetro de Sagnac em fibra óptica. a) Esquema do giroscópio a fibra óptica. b) Fotografia de um giroscópio comercial. O estudo dos sensores em fibra óptica não será realizado no presente curso, uma vez que o assunto demanda um aprofundamento físico e matemático que foge dos seus objetivos. Afirma-se, contudo, que os Fundamentos da Eletro-Óptica são de grande relevância como prérequisito para o estudos desses sensores, os quais são tratados em detalhes na disciplina Sensores a Fibra Óptica. 21

10 1.3.3 Interferometria Óptica em Óptica integrada Uma área que também passou a concentrar esforços tecnológicos a partir de 1970, foi a óptica integrada. Suas principais características são a miniaturização, a necessidade de poucos ajustes por parte do usuário final, robustez, e a elevada imunidade a perturbações ambientais externas [54]. Na Fig.1.21 ilustra-se um guia óptico do tipo planar, constituído por uma camada delgada de filme transparente depositada sobre um substrato. Se o índice de refração do filme for maior que o do substrato uma onda óptica pode permanecer confinada no seu interior passando, então, a ser guiada [55]. No caso a), a luz é acoplada ao guia com o auxílio de uma lente objetiva e, no caso b), com uma fibra óptica. Figura 1.21 Guia óptico integrado. a) Acoplamento de luz por lente. b) Acoplamento de luz por fibra óptica. Num guia denominado slab, só existe confinamento óptico na direção vertical, onde a estrutura pode ser multi estratificada. No plano do guia, a luz pode propagar-se sem direção preferencial. Por isso, diz-se que o guia slab é unidimensional. Um guia slab constituí um dispositivo bastante adequado para explorar a interação da luz com ondas acústicas superficiais (SAW ) [54]. Utilizando-se da tecnologia de eletrodos planares depositados sobre substratos piezoelétricos, é possível estabelecer ondas acústicas que se propagam próximas à superfície desse substrato [19], [22]. Na Fig.1.22 a) ilustra-se um eletrodo interdigital usado para gerar ondas SAW, e na Fig b), uma célula Bragg com guia slab e SAW. A onda óptica guiada sofre difração acústico-óptica ao interagir com a onda acústica (de forma análoga ao caso volumétrico). Conforme já foi discutido, se a onda acústica operar na faixa de centenas de MHz, 22