Comunicações Ópticas. Profº: Cláudio Henrique Albuquerque Rodrigues, M. Sc.

Transcrição

1 Comunicações Ópticas Profº: Cláudio Henrique Albuquerque Rodrigues, M. Sc.

2 Corpos luminosos e Corpos iluminados O Sol, as estrelas, uma lâmpada ou uma vela, acesas, são objetos que emitem luz própria, isto é, produzida por si próprios. São corpos luminosos. A maioria dos corpos que nos cercam, porém, envia luz somente depois de a receberem de algum corpo luminoso. São os chamados corpos iluminados. A mesa, o livro ou a poltrona são corpos iluminados porque refletem a luz emitida por corpos luminosos. A Lua fica visível ao anoitecer porque reflete a luz do Sol. Conforme a quantidade de luz que deixam passar e a propagação, os meios classificam-se em: transparentes, translúcidos e opacos.

3 Meios transparentes (fig. a): são os que deixam passar a luz em trajetórias regulares e nos permitem observar perfeitamente os objetos através deles, como a água, o ar ou o vidro comum. Meios translúcidos (fig. b): são os que deixam passar a luz em trajetórias irregulares que nos permitem observar somente o contorno dos objetos através de si, como o vidro esmerilhado ou o papel vegetal. Meios opacos (fig. c): são aqueles que não permitem a passagem da luz. É o caso, entre outros, da madeira, do chumbo ou do ferro.

4 Raios de Luz Certos fenômenos luminosos podem ser estudados sem que se conheça previamente a natureza da luz; basta para tanto a noção de raio de luz. Para se representar graficamente a luz em propagação, como, por exemplo a emitida pela chama de uma vela, utilizamos a noção de raio de luz. Raio de luz são linhas orientadas que representam, graficamente, a direção e o sentido da propagação da luz. Um conjunto de raios de luz constitui um feixe de luz. Este pode ser convergente, divergente ou paralelo.

5 Raios de Luz

6 Fenômenos ópticos Considere um feixe de raios paralelos propagando-se num meio (1) (por exemplo, ar) e incidindo sobre a superfície plana S de separação comum meio (2) (por exemplo, água, papel, chapa metálica polida, etc.). Dependendo da natureza do meio (2) e da superfície S, ocorrem simultaneamente, com maior ou menor intensidade, os seguintes fenômenos: Reflexão regular Reflexão difusa Refração da luz Absorção da luz

7 Reflexão regular O feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e retorna ao meio (1), mantendo o paralelismo. É o que acontece, por exemplo, sobre a superfície plana e polida de um metal.

8 Reflexão difusa O feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e retorna ao meio (1), perdendo o paralelismo e espalhando-se em todas as direções. A difusão é devida as irregularidades da superfície. A reflexão difusa é responsável pela visão dos objetos que nos cercam. Por exemplo, vemos uma parede porque ela reflete difusamente para nossa vista a luz que ela recebe.

9 Refração da luz O feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e passa a se propagar no meio (2). É o que acontece, por exemplo, quando a luz se propaga no ar e incide sobre a superfície livre da água de uma piscina. A reflexão neste caso é regular, permitindo a uma pessoa no fundo da piscina ver o Sol. Se no meio (2) for translúcido, como o vidro fosco, os raios refratados perdem o paralelismo e a refração é difusa.

10 Absorção da luz O feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e não se propaga no meio (2); ocorre a absorção de luz. Como a luz é uma forma de energia, sua absorção ocasiona um aquecimento.

11 Na reflexão regular, na reflexão difusa e na refração, os feixes refletidos, difundidos ou refratados apresentam energia luminosa menor que a do feixe incidente que lhes deu origem, pois uma parte da energia é sempre absorvida. Num corpo negro, a absorção da luz é total. Num corpo cinza escuro há elevada taxa de absorção. Num corpo branco, a difusão predomina. Numa superfície metálica bem polida, predomina a reflexão regular, sendo mínima a difusão e praticamente inexistente a absorção. Na superfície de separação entre dois meios homogêneos e transparentes, para incidência pouco oblíqua, predomina refração.

12 Material Óptico Transparente Luz incidente em um material transparente. O campo eletromagnético da Luz interage com os elétrons dos átomos do material, polarizando o mesmo. Átomo sem presença de campo externo. Átomo na presença de campo externo.

13 Propriedades de um Material Óptico Transparente Em materiais muito densos, a luz é rapidamente absorvida e este material é dito Material Opaco. Alguns materiais não absorvem completamente a luz que se propaga por ele. Estes Materiais são conhecidos como Materiais Opticamente Transparentes.

14 Propriedades de um Material Óptico Transparente Em Materiais Opticamente Transparentes, a luz é capaz de incidir sobre este material e emergir deste mesmo material. Como exemplos de Materiais Opticamente Transparentes, pode-se incluir a água e o vidro limpo ou vidro puro.

15 Propriedades de um Material Óptico Transparente Para o estudo das comunicações ópticas, é de interesse os fenômenos que ocorrem entre a Luz e o Material Opticamente Transparente, tais como: Reflexão e Refração Difração Interferência Polarização Birrefringência Dispersão Fenômenos ñ-linear Isotropia e anisotropia Absorção e Espalhamento Meio Homogêneo e Ñ

16 Propriedades de um Material Óptico Transparente Reflexão e Refração O índice de refração de um meio é definido como a razão da velocidade da luz (c) pela velocidade da luz no meio. n = meio v c meio

17 Propriedades de um Material Óptico Transparente Reflexão e Refração Então a relação dos índices de refração entre dois meios diferentes é dada por: n 2 = n 1 v v 1 2

18 Propriedades de um Material Óptico Transparente A luz ao interagir com dois meios diferentes: Raio de Luz Incidente Monocromático i r Raio de Luz Refletido Raio de Luz Refratado n 1 n 2 t Raio de Luz Refletido de 2 a Ordem Onde n 1 <n 2 n 1 t e Raio de Luz Emergente

19 Propriedades de um Material Óptico Transparente O índice de refração n=1 (vácuo e ar) O índice de refração de um meio material depende do tipo de luz que se propaga, apresentando valor máximo para a luz violeta e mínimo para a luz vermelha. Para indicar entre dois meios aquele que tem maior ou menor índice de refração, é comum usarmos o termo refringência. Assim, o meio que possui maior índice de refração é o que apresenta maior refringência (mais refringente).

20 Propriedades de um Material Óptico Transparente Quando dois meios apresentam a mesma refringência (mesmo índice de refração), um é invisível em relação ao outro. Diz-se que entre esses meios há continuidade óptica. Outros materiais 2<n<1 Poliuretano tem n=1,4 As relações básicas: c 0 =.f Velocidade da luz no meio: c meio = meio.f Índice de refração: n 1 /n 2 = 2 / 1.

21 Propriedades de um Material Óptico Transparente Refração da Luz n 1 =1 v 1 = c d 2 V 1 = =. f 1 f 1 1 d1 Devido á mudanças da velocidade de propagação da luz do meio 1 e 2, os raios alteram sua direção. V = 2. f 2 = 2 2 f n 2 =1.5 v 1 = 0.67c

22 Lei de Snell A lei de Snell mostra a relação existente entre o índice de refração com o ângulo de incidência i da luz, como pode ser vista abaixo: n n 2 = 1 sen sen i t

23 Ângulo Crítico O ângulo crítico é (máximo) ângulo da luz incidente (de um material denso para um material menos denso) onde a luz para e começa a ser refratada ou totalmente refletida.

24 Ângulo Crítico n 1 n 1 2 =90 o n 2 n 2 >n 1 n 2 >n 1 2 n 2 i i sen = critico 1 n 2

25 Angulo limite, reflexão total Quando uma luz monocromática se propaga do meio menos refringente para o meio mais refringente, não existe nenhuma restrição à ocorrência de refração. Considere dois meios A e B separados pela superfície S (Figura no slide seguinte) tais que n A < n B. Quando a luz incide normalmente (Fig. a), propagando-se do meio A para o meio B, não ocorre desvio da luz. Ao incidir obliquamente no mesmo sentido (Fig. b), o raio luminoso se aproxima da normal (r < i). Aumentando se o ângulo de incidência, verifica-se que, à medida que o ângulo de incidência i tende 90 (incidência rasante), o ângulo de refração r tende para um valor máximo L, denominado ângulo limite (Fig. c).

26 Angulo limite, reflexão total A luz se propaga do meio menos refringente para o mais refringente

27 Portanto, o seno do ângulo limite L é dado pela relação entre os índices de refração dos meios entre os quais a luz se propaga. O valor do ângulo limite depende, evidentemente, da luz que se propaga e dos meios considerados. Quando uma luz monocromática se propaga do meio mais refringente para o meio menos refringente, nem todo raio luminoso sofre refração.

28 Considere os mesmos dois meios A e B da Figura anterior (n A < n B ), mas agora estando a luz a se propagar do meio B para o meio A. Na incidência normal (Fig. a), não há desvio. Na incidência oblíqua (Fig. b), o raio luminoso se afasta da normal (r > i). Se aumentarmos gradativamente o ângulo de incidência i, a última refração r igual a 90 (emergência rasante): se se i = L r = 90.

29 No entanto, para esse sentido de propagação (do mais refringente para o menos refringente), o ângulo incidente i pode ser maior que o ângulo limite L. Quando isso acontece, não há refração e a luz sofre o fenômeno da reflexão total ou interna. Portanto, para haver reflexão total, há duas condições: sentido de propagação da luz: do meio mais refringente para o menos refringente; ângulo de incidência maior que o ângulo: i > L Ao ocorrer a reflexão total ou interna, nenhuma parcela da luz se refrata. Portanto, esse fenômeno é diferente da reflexão externa que sempre acompanha a refração.

30 Em alguns casos uma mudança contínua de índices de refração, pode provocar uma curva na luz, fazendo com que a mesma possa emergir na mesma superfície de incidência do meio, como mostra a figura seguinte:

31 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 LUZ n 6 n 7 Onde: n 1 > n 2 > n 3 > n 4 > n 5 > n 6 > n 7 > n 8

32 Prisma Óptico Um prisma é um dispositivo óptico formado por dois planos, com a interação de um outro plano, para formar um prisma com um ângulo 2. Um prisma serve para desviar a Luz.

33 Prisma Óptico Quando um raio de luz quase monocromático, incide em um dos lados do prisma, cada componente de frequência é refratada de forma diferente. Posteriormente na segunda parede do prisma, o raio de luz é refratado novamente, como consequência as componentes da luz se separam.

34 Prisma Óptico Vídeo_Prismas_Ópticos_Prof_Nivaldo Vídeo_Prismas_Ópticos_II

35 Prisma Óptico 2 = ângulo de deflexão N n 2 Prisma 3 N n 2 n 1 = sen sen 2 2 / / 2 2

36 Algumas propriedades, que devem ser levadas em consideração: O ângulo aumenta quando índice de refração aumenta ; O ângulo aumenta quando 2 aumenta; O ângulo aumenta quando a frequência da luz aumenta (comprimento de onda diminui).

37 A variação angular de cada componente de frequência do prisma é conhecida como dispersão angular e é dada por: = n n Propriedades de um Material Óptico Transparente

38 Difração Vídeo-Aula_Difração e Interferência

39 Difração É um fenômeno que ocorre com as ondas quando elas passam por um orifício ou contornam um objeto cuja dimensão é da mesma ordem de grandeza (ou seja, os seus valores são aproximados, tais como o 8 e o 10) que o seu comprimento de onda; Como este desvio na trajetória da onda, causado pela difração, depende diretamente do comprimento de onda; Este fenômeno é usado para dividir, em seus componentes, ondas vindas de fontes que produzem vários comprimentos de onda.

40 Difração

41 Difração

42 Difração y h 0 G W 0 x

43 Princípio de Fresnel Obstáculo com orifício do tamanho do comprimento de onda. Direção de Propagação Fonte de Luz Monocromática

44 Interferência da Luz r 1 r 1 Fonte de Luz Monocromática r 3 r 2 d r 4 r 2 Interferência Destrutiva r 3 r 4 Interferência Construtiva

45 Polarização A luz não polarizada apresenta como característica básica, os vetores campo elétrico E e o vetor campo magnético H, como mesma intensidade em direções perpendiculares. Luz Não- Polarizada

46 Polarização Porém, quando a luz interage com os a tomos de um meio transparente, por onde ela está se propagando, é criado um dipolo elétrico nós átomos do cristal. E como consequência a luz tende a ficar polarizada.

47 Polarização Polarização circular a direita Polarização circular a esquerda

48 Polarização Polarização Elíptica a direita Polarização Elíptica a esquerda

49 Polarização Z E Onda TM (Transversal Magnética) X H Polarização vertical Y

50 Polarização Direção resultante de propagação Hi Ei Ez Ez=0 Hz=0 Onda refletida Parede condutora

51 Polarização Z H Onda TE (Transversal Elétrica) X E Polarização horizontal Y

52 Polarização Direção resultante de propagação Ei (Entrando no Monitor) Hi Hz Hz=0 Ez=0 Onda refletida Parede condutora

53 Polarização Luz Não Polarizada Luz Polarizada

54 Polarização Luz Não Polarizada Luz Polarizada Refletida Luz Polarizada Refratada

55 Polarização Luz Polarizada Incidente Luz Não Polarizada Refletida Luz Polarizada Refratada

56 Materiais Isotrópicos Um meio que tende a manter suas características eletromagnéticas sempre iguais em todas as direções, tais como o índice de refração, polarização, e sua constante de propagação tem vetores com a mesma direção e sentido, é conhecido como um meio Isotrópico.

57 Materiais Anisotrópicos Para o caso contrário dos materiais Isotrópicos, o cristal é conhecido como um meio Anisotrópico.

58 Materiais Isotrópicos e Anisotrópicos n 1 n 2 n 1 n 3 n 1 Representação de um meio isotrópico n 1 Representação de um meio anisotrópico

59 Materiais Homogêneos e Não-Homogêneos Representação de um meio homogêneo. Representação de um meio não-homogêneo.

60 Um material anisotrópico tem diferentes índices de refração em diferentes direções. Então, quando uma campo eletromagnético(luz) se propaga através deste cristal, esse campo encontrar diferentes índices de refração, consequentemente este raio é separado em dois raios diferentes, com diferentes polarizações, diferentes direções e constantes de propagação.

61 Birrefringência Maxwell em 1867 introduziu a ideia da birrefringência circular, ou seja, a existência de índices de refração diferentes para as duas componentes em que pode ser separada a luz linearmente polarizada: luz polarizada circularmente a esquerda e luz polarizada circularmente a direita. A birrefringência é a formação de dupla refração apresentada por certos cristais intimamente ligada com a velocidade e direção de propagação da luz. Óptica

62 Birrefringência TE n 2 n 1 TM Luz Não Polarizada