Faculdade de Engenharia. Óptica de Fourier OE MIEEC 2014/2015

Transcrição

1 Faculdad d Engnharia Óptica d Fourir sin OE MIEEC 4/5

2 Introdução à Óptica d Fourir Faculdad d Engnharia transformada d Fourir spacial D função d transfrência para a propagação m spaço livr aproimação d Frsnl quação d propagação paraial mplos d volução paraial d ondas aproimação d Fraunhofr difracção através d fndas Fourir

3 Transformada d Fourir spacial D Faculdad d Engnharia Transformada d Fourir tmporal G g t g t G t dt t d Transformada d Fourir spacial g g G G d d dcomposição m sinais com difrnts frquências dcomposição m sinais com difrnts componnts do númro d onda sgundo Fourir

4 Transformada d Fourir spacial onda no plano Faculdad d Engnharia Considrmos uma onda qu s propaga no plano cuo campo léctrico é dfinido plo fasor: E pˆ vrsor qu indica polariação amplitud compla (inclui fas adquirida durant propagação) Para um dado sta amplitud compla pod sr dscrita à custa d uma transformada d Fourir unidimnsional: d d F - F Fourir

5 Transformada d Fourir spacial mplos Faculdad d Engnharia Emplo onda plana com amplitud unitária qu s propaga sgundo +: d d d F d Fourir

6 Transformada d Fourir spacial mplos Faculdad d Engnharia Emplo d d d d onda plana com amplitud unitária qu s propaga sgundo: uˆ uˆ aˆ n no caso gral sin aˆ n Fourir

7 Espctro angular Faculdad d Engnharia d d a transformada d Fourir spacial corrspond à dcomposição m ondas planas d difrnts dircçõs amplituds sin sin é também conhcido como spctro angular Fourir

8 Faculdad d Engnharia Fourir Propagação d onda EM m mio LHI d d Dsprando fitos associados à polariação a propagação d uma onda EM num mio LHI sm fonts é govrnada pla quação d Hlmholt scalar: ond F F F no domínio d Fourir:

9 Função d transfrência associada à propagação Faculdad d Engnharia método da sparação das variávis: F G d d solução não trivial : d G G d G B F B para propagação sgundo +: Fourir

10 Função d transfrência associada à propagação Faculdad d Engnharia d d transformada após distância função d transfrência da propagação transformada m = H propagação ao longo d distância H H Fourir

11 Campo após propagação Faculdad d Engnharia H H d d d H d ' ' d' H d ' ' H dd' H ' ' d d' Fourir

12 Função d transfrência associada à propagação Faculdad d Engnharia H H Notas:. H dpnd do mio da frquência da onda através d da distância. s ral onda m propagação s imaginário onda vanscnt amplitud dcrsc ponncialmnt com ncssário considrar apnas os tais qu para suficintmnt lvados Fourir

13 proimação d Frsnl Faculdad d Engnharia dmitamos qu aproimação d Frsnl d d H H FRESNEL Nota: considram-s apnas as ondas planas com componnts sgundo do vctor d onda muito mnors do qu pqunos ângulos aproimação d Frsnl é também conhcida como aproimação paraial Fourir

14 proimação d Frsnl Faculdad d Engnharia ' ' H H FRESNEL d d' d d ' ' d d' a b d a b p 4a ' d' ' a rsposta impulsional associada à propagação paraial é h Fourir

15 Rlação ntr aproimação d Frsnl quação paraial Faculdad d Engnharia ' d' u( ) ' ond u ' ' d' satisfa a quação: d d u u quação d onda paraial NOT Substituindo ( ) u( ) na quação d Hlmholt scalar rsulta na quação: ( ) u u u quação paraial rsulta d considrar u u u() varia lntamnt ao longo d distâncias da ordm d Fourir

16 Emplos da volução paraial d algumas ondas Faculdad d Engnharia óptica d Fourir prmit studar facilmnt a volução linar d fis ópticos. Emplos ondas gaussianas: w -(/w) fi d lasr tm frquntmnt prfil gaussiano d H FRESNEL d H... ondas d iry: /w i.5 i () ondas qu s propagam sgundo tractória parabólica sm altrar a forma (ondas d nrgia infinita) Fourir

17 Evolução paraial da onda gaussiana D Faculdad d Engnharia w distância? H. spctro inicial d w d w w 4 d H FRESNEL d H. spctro final H w w 4. nvlop complo final d w w 4 d w w w Fourir

18 Evolução paraial da onda gaussiana D Faculdad d Engnharia w w w d d dfinindo w R w w R R R H H FRESNEL w tan w R R w w w w onda mantém forma gaussiana mas com largura amplitud variávis Fourir

19 Evolução paraial da onda gaussiana D Faculdad d Engnharia w w w onda mantém forma gaussiana com largura amplitud variávis w R w w R Nota w w d w w constant!! consrvação d nrgia Fourir

20 Evolução paraial da onda gaussiana D Faculdad d Engnharia w w R R w 5 w R w w R w w w Nota w R Para w R ângulo divrgência: w w quanto mnor mais lvado R w Fourir

21 Faculdad d Engnharia Fourir Evolução paraial da onda d iry infinita H FRESNEL d d H i? H distância i para ral: cos dt t t i. spctro inicial:. spctro final:. nvlop complo final:

22 Faculdad d Engnharia Fourir Evolução paraial da onda d iry infinita i i prfil da onda mantéms inaltrado durant a propagação onda d iry infinita não difracta onda tm tractória parabólica tractória Estas ondas têm nrgia infinita por isso só istm na toria Important

23 Evolução paraial da onda d iry finita Faculdad d Engnharia a i? H sa distância a ( ) a i d H FRESNEL d H i () i () * Estas ondas têm nrgia finita á foram obtidas primntalmnt Fourir

24 Faculdad d Engnharia Fourir Evolução paraial da onda d iry finita H FRESNEL d d H a i ) ( a i propridad do dslocamnto da transformada d Fourir u ) ( b u b ) ( a a a a ) ( i a a

25 Faculdad d Engnharia Fourir Evolução paraial da onda d iry finita H FRESNEL d H a a a a d ) ( d a a i a argumnto da função d iry é agora complo!

26 Faculdad d Engnharia Fourir Evolução paraial da onda d iry finita a a i a como o argumnto da função d iry é complo o prfil da onda varia durant a propagação a i a onda também é atnuada à mdida qu s propaga () = = = =

27 Evolução paraial da onda d iry finita Faculdad d Engnharia a a onda finita mantém tractória parabólica por alguma distância Fourir

28 proimação d Fraunhofr Faculdad d Engnharia dmitamos qu X ond X ma' ' ' d' X X ' ' ' d' ' ' ' d' amplitud do campo m é vrsão scalada da transformada d Fourir m = d Fourir

29 proimação d Fraunhofr difracção através d uma fnda Faculdad d Engnharia Considrmos a difracção através d uma fnda d largura X localiada m = : X X X X d d X d X d X X X X sin X 4 X sin Fourir

30 Faculdad d Engnharia Fourir proimação d Fraunhofr difracção através d uma fnda sin 4 X MX X 4 MX sin KX X KX intnsidad normaliada

31 proimação d Fraunhofr difracção através d uma fnda Faculdad d Engnharia intnsidad normaliada no alvo fnda alvo X W KX X X X X W W W X Fourir

32 proimação d Fraunhofr difracção através d N fndas Faculdad d Engnharia Considrmos a difracção através d N fndas d largura X sparadas d uma distância a: d X a important: a X d N i ian a ond X X d N i a ian X a ia N X d N i ian a ian X N a sin ia N X a X i a a Na X N i N sin X sin X N sin i a a Na sin a sin Fourir

33 proimação d Fraunhofr difracção através d N fndas Faculdad d Engnharia sin X Na sin a sin d d sin 4 X sin sin Na a MX 4X N Fourir

34 proimação d Fraunhofr difracção através d N fndas Faculdad d Engnharia intnsidad normaliada MX sin X X Na sin a N sin difracção padrão d intrfrência S a 8X N 5 a Fourir