Lista de Exercícios #03: disponível até amanhã. Lista de Exercícios #04: disponível em breve. Projeto-Exame: Formato de turn-in paper, ou seja, um resumo em formato de artigo científico (título, abstract, introdução, etc..., referências), de ao menos 4 páginas, aprofundando um determinado assunto de seu interesse, que seja fortemente relacionado com o conteúdo da disciplina. Entrega dos resumos das propostas (máximo 1 página; título e resumo) até 1 fs antes da aula de 19/11. Próximas aulas: 12/11 19/11 palestra convidada na LAOP não haverá aula em sala Miscelânea atividade acadêmica complementar 2
FF-289 Introdução à Fotônica Parte II: Aula 05 05 NOV 2018 RESUMO: Interação radiação-matéria II: espalhamentos elásticos e inelásticos (não-elásticos), espalhamentos não-lineares (estimulados). https://en.wikipedia.org/wiki/zodiacal_light http://www.pnas.org/content/108/9/3809.full 3
Espalhamentos Ópticos Espalhamentos (quase) Elásticos ( in out ): Rayleigh (Tyndall); Mie; Geométrico (superfícies em geral, etc.); (Difração) Bragg; e Thomson. Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) ( in out ): Compton; Raman; e Brillouin. 4
Espalhamentos Elásticos Comparação entre Espalhamentos Rayleigh, Mie e Geométrico: Rayleigh: partícula Mie: partícula Geométrico: partícula (Óptica Geométrica) https://en.wikipedia.org/wiki/mie_scattering 5
Espalhamento Rayleigh: Partícula 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 : comprimento de onda : ângulo do espalhamento Espalhamento Rayleigh em Fibras Ópticas: Coeficiente de atenuação por espalhamento: https://en.wikipedia.org/wiki/rayleigh_scattering 6
Espalhamentos Elásticos Espalhamento Rayleigh: Responsável pela tonalidade azulada do céu, e avermelhada do nascer/pôr do sol. + E. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed., 2017. https://en.wikipedia.org/wiki/rayleigh_scattering 7
Espalhamento Rayleigh: Espalhamentos Elásticos Espalhamento pode apresentar polarização preferencial, dependendo do material e das características da iluminação. https://en.wikipedia.org/wiki/rayleigh_scattering 8
Espalhamentos Elásticos Espalhamento Rayleigh: Efeito Tyndall (Espalhamento Willis-Tyndall) em colóides (partículas dispersas insolúveis) Vidro opalescente https://en.wikipedia.org/wiki/tyndall_effect Suspensão Coloidal 9
Espalhamentos Elásticos Espalhamento Mie (Lorenz Mie Debye): partícula Análise teórica desenvolvida para partículas esféricas Pouca dependência com o comprimento de onda Espalhamento mais intenso na direção de propagação https://en.wikipedia.org/wiki/mie_scattering 10
Espalhamentos Elásticos Espalhamento Geométrico (Geometria Óptica) : Ocorre quando: partícula Exemplos: superfícies e objetos, em geral; etc Aplica-se, com precisão, os princípios da óptica geométrica 11
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, 2007. 12
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, 2007. 13
Espalhamentos Elásticos Espalhamento Bragg: Comprimento de onda do fóton difratado/espalhado é deslocado pelo valor da frequência da onda acústica: r = Conservação de energia e momento (vetor de onda) B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007. 14
Espalhamentos Elásticos Espalhamento Thomson: Espalhamento devido a partículas carregadas eletricamente Energia do fóton energia-massa da partícula Aplicação em Física dos Plasmas https://en.wikipedia.org/wiki/thomson_scattering 15
Coffee Break 16
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Compton: Espalhamento devido a partículas carregadas eletricamente Efeito Compton Fotón: Raio-X ou Raio-Gama https://en.wikipedia.org/wiki/compton_scattering#inverse_compton_scattering 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. (https://en.wikipedia.org/wiki/phonon) 18
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamentos Brillouin & Raman: Modos vibracionais e rotacionais, quantizados, da matéria. The atoms in a CH 2 group, commonly found in organic compounds, can vibrate in six different ways: symmetric and asymmetric stretching, scissoring, rocking, wagging and twisting. (https://en.wikipedia.org/wiki/molecular_vibration) 19
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamentos Brillouin & Raman: Modos vibracionais e rotacionais coletivos em sólidos (cristais) (https://en.wikipedia.org/wiki/phonon) http://www.ioffe.ru/sva/nsm/semicond /GaN/mechanic.html 20
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamentos Brillouin & Raman: Modos de estruturas complexas (ZIF 7): http://www.diamond.ac.uk/home/corporate-literature/annual- Review/Review2015/Villages/Soft-Condensed-Matter-Village/Good-vibrations- Terahertz-modes-and-lattice-dynamics-in-metal-organic-frameworks.html 21
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Brillouin & Raman: Interações não-ressonantes por meio de estados energéticos virtuais: faixa espectral ampla. Desvio Stokes ( out in ) ou Anti-Stokes ( out in ) B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007. 22
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Brillouin & Raman: Emissão espontânea tem comportamento óptico linear. Propriedades físicas diferem significativamente. Rayleigh-wing não ocorre em materiais dielétricos isotrópicos. R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, 2007. 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, a variação é da ordem de 1-10 GHz. R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, 2007. B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007. https://en.wikipedia.org/wiki/brillouin_scattering 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, 2007. B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007. 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 materiais (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, 2007. https://en.wikipedia.org/wiki/raman_scattering 26
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Raman: Múltiplas faixas possibilitam caracterizar materiais (espectroscopia Raman) P. Vandenabeele. Practical Raman spectroscopy: an introduction, Wiley, 2013. B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007. 27
Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos) Espalhamento Raman: Frequency shift em cm -1 : ( / 2 ) em unidades de cm -1 = c 0 ( / 2 ) P. Vandenabeele. Practical Raman spectroscopy: an introduction, Wiley, 2013. 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, 2007. 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, 2007. 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., 2017. R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, 2007. B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007. 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, 2007. B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007. 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, 2005. FINISAR - Raman Amplifier Module 33
Avisos Finais Próxima Aula (19 NOV 2018): Interação radiação-matéria III: interação dos fótons com metais, dielétricos, semicondutores e nanomateriais. Introdução a tópicos avançados em Fotônica. Aplicações tecnológicas da Fotônica. Lista de Exercícios #03: disponível até amanhã. Lista de Exercícios #04: disponível em breve. Projeto-Exame: Formato de turn-in paper, ou seja, um resumo em formato de artigo científico (título, abstract, introdução, etc..., referências), de ao menos 4 páginas, aprofundando um determinado assunto de seu interesse, que seja fortemente relacionado com o conteúdo da disciplina. Entrega dos resumos das propostas (máximo 1 página; título e resumo) até 1 fs antes da aula de 19/11. 34