Miscelânea. Lista de Exercícios #02: em breve. Não haverá aula em 13 NOV. Reposição??

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2 Miscelânea Lista de Exercícios #02: em breve. Não haverá aula em 13 NOV. Reposição?? 2

3 FF-289 Introdução à Fotônica Parte II: Aula NOV 2017 RESUMO: Interação radiação-matéria II: espalhamentos elásticos e inelásticos (não-elásticos), espalhamentos não-lineares (estimulados)

4 Espalhamentos Ópticos Espalhamentos (quase) Elásticos (λ in λ out ): Rayleigh (Tyndall); Mie; Geométrico (superfícies em geral, grades de difração, etc.); (Difração) Bragg; e Thomson. Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) (λ in λ out ): Compton; Raman; e Brillouin. 4

5 Espalhamentos Elásticos Comparação entre Espalhamentos Rayleigh, Mie e Geométrico: Rayleigh: partícula << λ Mie: partícula λ Geométrico: partícula >> λ (Óptica Geométrica) 5

6 Espalhamento Rayleigh: Partícula << λ Espalhamentos Elásticos Origem do espalhamento: átomos, moléculas, flutuações das propriedades ópticas de um meio material, etc. Intensidade espalhada (I) por esferas dielétricas: I 0 : intensidade incidente d : diâmetro das esferas n : índice de refração λ : comprimento de onda θ : ângulo do espalhamento Espalhamento Rayleigh em Fibras Ópticas: Coeficiente de atenuação por espalhamento: 6

7 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Rayleigh: Responsável pela tonalidade azulada do céu, e avermelhada do nascer/pôr do sol. E. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed.,

8 Espalhamento Rayleigh: Espalhamentos Elásticos Espalhamento pode apresentar polarização preferencial, dependendo do material e das características da iluminação. 8

9 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Rayleigh: Efeito Tyndall (Espalhamento Willis-Tyndall) em colóides (partículas dispersas insolúveis) Vidro opalescente Suspensão Coloidal 9

10 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Mie: partícula λ Análise teórica desenvolvida para partículas esféricas Pouca dependência com o comprimento de onda Espalhamento mais intenso na direção de propagação 10

11 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Geométrico (Geometria Óptica) : Ocorre quando: partícula >> λ Exemplos: superfícies e objetos, em geral; grades de difração; etc Aplica-se, com precisão, os princípios da óptica geométrica 11

12 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Bragg: Espalhamento Quase-Elástico. Resultante da interação de interação de ondas acústicas com a matéria e, indiretamente, com a luz. Difração/Reflexão/Espalhamento de Bragg. B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

13 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Bragg: Acustoóptica: efeito elastoóptico altera o índice de refração. B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

14 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Bragg: Comprimento de onda do fóton difratado/espalhado é deslocado pelo valor da frequência da onda acústica: ω r = ω ± Ω Conservação de energia e momento (vetor de onda) B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

15 Espalhamentos Elásticos Espalhamento Thomson: Espalhamento devido a partículas carregadas eletricamente Energia do fóton << energia-massa da partícula Aplicação em Física dos Plasmas 15

16 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Compton: Espalhamento devido a partículas carregadas eletricamente Efeito Compton Fotón: Raio-X ou Raio-Gama 16

17 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamentos Brillouin & Raman: Interação da luz com os modos vibracionais e rotacionais, quantizados, da matéria. Em especial, com fónons (quase-partículas associadas aos modos coletivos em sólidos e alguns líquidos) Brillouin: fónos acústicos Raman: fónons ópticos (modos vibracionais e rotacionais) Normal modes of vibration progression through a crystal. The amplitude of the motion has been exaggerated for ease of viewing; in an actual crystal, it is typically much smaller than the lattice spacing. Optical and acoustic vibrations in linear diatomic chain. ( 17

18 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamentos Brillouin & Raman: Modos vibracionais e rotacionais, quantizados, da matéria. The atoms in a CH2 group, commonly found in organic compounds, can vibrate in six different ways: symmetric and asymmetric stretching, scissoring, rocking, wagging and twisting. ( 18

19 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamentos Brillouin & Raman: Modos vibracionais e rotacionais coletivos em sólidos (cristais) /GaN/mechanic.html 19

20 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamentos Brillouin & Raman: Modos de estruturas complexas (ZIF 7): Review/Review2015/Villages/Soft-Condensed-Matter-Village/Good-vibrations- Terahertz-modes-and-lattice-dynamics-in-metal-organic-frameworks.html 20

21 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Brillouin & Raman: Interações não-ressonantes por meio de estados energéticos virtuais: faixa espectral ampla. Desvio Stokes (λ out > λ in ) ou Anti-Stokes (λ out < λ in ) B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

22 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Brillouin & Raman: Emissão espontânea tem comportamento linear. Propriedades físicas diferem significativamente. Rayleigh-wing não ocorre em materiais dielétricos isotrópicos. R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press,

23 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Brillouin: Espalhamento da luz por fónons acústicos Também pode ser causado por flutuações de: magnons (modos de oscilação de spins magnéticos), ou polarons (modos de deslocamento de cargas). Em sólidos, causa variação da frequência óptica de ~10 GHz; para líquidos e gases, são da ordem de 1-10 GHz. R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

24 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Brillouin: Aplicações: Sensores a fibra óptica: temperatura e deformação Detecção de substâncias R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

25 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Raman: Espalhamento da luz por fónons ópticos (modos vibracionais e rotacionais). Causa variação da frequência óptica de ~10 THz Aplicações: Espectroscopia Raman, para caracterização de mateirais (inorgânicos ou orgânicos). Detecção de magnons Sensor de temperatura Amplificação óptica (emissão estimulada) B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

26 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Raman: Múltiplas faixas possibilitam caracterizar materiais (espectroscopia Raman) P. Vandenabeele. Practical Raman spectroscopy: an introduction, Wiley, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

27 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Raman: Frequency shift em cm -1 : ( λ / λ 2 ) em unidades de cm -1 ν = c 0 ( λ / λ 2 ) P. Vandenabeele. Practical Raman spectroscopy: an introduction, Wiley,

28 Espalhamentos Não-lineares (Estimulados) Espalhamento Estimulado Brillouin: Electrostriction: compressão do material na presença de campo elétrico, devido separação de cargas (dipolos). Depende de intensidades mais elevadas do laser Processo de realimentação crescente entre Laser-fónons e Laser- Stokes R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press,

29 Espalhamentos Não-lineares (Estimulados) Espalhamento Estimulado Brillouin: Pode limitar a propagação em fibras ópticas, em altas intensidades R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press,

30 Espalhamentos Não-lineares (Estimulados) Espalhamento Estimulado Brillouin: Aplicações: Sensores a fibra óptica: temperatura e deformação Imageamento óptico via método de Conjugação de Fases. E. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed., R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

31 Espalhamentos Não-lineares (Estimulados) Espalhamento Estimulado Raman: Amplificação Óptica Laser Raman Múltiplas faixas Efeito óptico não-linear 3 a ordem R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

32 Espalhamentos Não-lineares (Estimulados) Espalhamento Estimulado Raman: Amplificação Raman C. Headley and G. P. Agrawal. Raman Amplification in Fiber Optical Communication Systems, Academic Press, FINISAR - Raman Amplifier Module 32

33 Coffee Break 33

34 Avisos Finais Próxima Aula (20 NOV 2017): Interação radiação-matéria III: interação dos fótons com metais, dielétricos, semicondutores e nanomateriais. Introdução a tópicos avançados em Fotônica. Aplicações tecnológicas da Fotônica. 34

35 Espalhamentos Não-lineares (Estimulados) Espalhamento Estimulado xxxx: zzz E. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed., R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

36 Espalhamentos Não-lineares (Estimulados) E. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed., C. Roychoudhuri. Fundamentals of Photonics. SPIE Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

37 aaaaaaaaa RRR: aaaa; bbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb E. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed., C. Roychoudhuri. Fundamentals of Photonics. SPIE Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,

38 Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) E. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed., C. Roychoudhuri. Fundamentals of Photonics. SPIE Press, B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley,