ComunicaçõesÓpticas 09 10

Comunicações Ópticas

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

Material Óptico Transparente

Átomo sem presença de campo externo.

•

Luz

incidente

em

um

material

transparente.

• O campo

eletromagnético da Luz

interage

com os elétrons dos átomos do material,

polarizando o mesmo

.

Átomo na presença de campo externo.

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

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

.

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

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

.

meio

meio

v

c

Propriedades de um Material Óptico

Transparente

Então

a

relação

dos

índices

de

refração entre dois meios diferentes é

dada por:

2

1

1

2

v

v

n

n

=

Reflexão e Refração

A luz ao interagir com dois meios

diferentes:

Raio de Luz Refletido de

2a_Ordem

Raio de Luz Incidente Monocromático _e Raio de Luz Emergente _i _r _t _t Raio de Luz Refratado Raio de Luz Refletido n₁ n₂ n₁ Onde n₁<n₂

Propriedades de um Material Óptico

Transparente

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).

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: c₀=.f

Velocidade da luz no meio: c_meio= _meio.f Índice de refração: n₁/n₂ =₂/₁.

V = . f    1 1 V = . f 2 2 d₁ d₂ V₁=₁f V₂=₂f

Propriedades de um Material Óptico

Transparente

n

=1

n

=1.5

Devido á mudanças da

velocidade

de

propagação da luz do

meio 1 e 2 , os raios

alteram sua direção.

v

= c

v

= 0.67c

Lei de Snell

Propriedades de um Material Óptico Transparente

•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:

t

i

n

n





sen

sen

1

2

=

Propriedades de um Material Óptico Transparente

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

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Ângulo Crítico

2

1

sen

n

critico

=



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).

Angulo limite, reflexão total

A luz se propaga do meio menos refringente para o mais refringente

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.

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°.

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.

Propriedades de um Material Óptico Transparente

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:

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Um prisma é um dispositivo óptico formado

por dois planos, com a interação de um

outro plano, para formar um prisma com um

ângulo 

Um prisma serve para desviar

a Luz.

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.

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Prisma Óptico

Vídeo_Prismas_Ópticos_Prof_Nivaldo

Prisma Óptico















/

2



sen

2

/

sen









=

n

Algumas propriedades, que devem ser levadas em

consideração:

O ângulo 

aumenta quando índice de refração

aumenta

O ângulo 

aumenta quando 

aumenta;

O ângulo 

aumenta quando a frequência da luz

aumenta (comprimento de onda diminui).

A variação angular de cada componente de

frequência do prisma é conhecida como

dispersão angular

e é dada por:



































=













n

n

Vídeo-Aula_Difração e Interferência

Difração

Propriedades de um Material Óptico Transparente

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.

Difração

Difração

G

x

y

h₀

W₀

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Princípio de Fresnel

 Fonte de Luz Monocromática

d

r

r

r

r

r

r

r

r

Interferência da Luz

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

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.

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Polarização circular a direita Polarização circular a esquerda

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Polarização Elíptica a direita Polarização Elíptica a esquerda

Propriedades de um Material Óptico Transparente

E H Polarização vertical Z X Y

Onda TM (Transversal Magnética)

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Parede condutora

Direção resultante de propagação

 

Onda

refletida

Propriedades de um Material Óptico Transparente

H E Polarização horizontal Z X Y

Onda TE (Transversal Elétrica)

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Parede condutora

Direção resultante de propagação

 

Onda

refletida

(Entrando no

Monitor)

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Luz Não Polarizada _{Luz Polarizada}

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Luz Não Polarizada _{Luz Polarizada Refletida}

Luz Polarizada Refratada

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Luz Polarizada Incidente Luz Não Polarizada Refletida

Luz Polarizada Refratada

Propriedades de um Material Óptico Transparente

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

.

Propriedades de um Material Óptico Transparente

Materiais Anisotrópicos

Para o caso contrário

dos materiais

Isotrópicos, o cristal

é conhecido como um

meio Anisotrópico

.

1

n

1

n

1

n

Materiais Isotrópicos e Anisotrópicos

2

n

3

n

1

n

Materiais Homogêneos e Não-Homogêneos

Representação de um

meio homogêneo.

Representação

de

um

meio não-homogêneo.

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

.

Birrefringência

Propriedades de um Material Óptico Transparente

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

Birrefringência

n

n

Luz Não Polarizada

TE

TM