Download Fibras ópticas, uma introdução

DISPOSITIVOS ÓPTICOS
Introdução e revisão
Dispoptic 2011
1
Dispositivos ópticos
Conceitos e princípios
Dispositivo que cria, manipula ou mede radiação
eletromagnética.
Existe alguma classificação? Categoria? Tipos?
Wikipedia?
Dispositivos e/ou instrumentos? Lente, óculos, zoom,
microscópio, telescópio, etc...
Dispositivo óptico para mouse óptico?
Dispositivo óptico Real? Virtual?
• Lado óptico
• Lado fotônico
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2
O que diz uma industria?
Identificar criar, manipular ou medir radiação eletromagnética
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3
http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Optical_devices
Category:Optical devices
M
A
•
+] Astronomical
observatories
[
•
•
P cont.
+] Microscopes
[+] Mirrors
[
O
I
•
[
+] Interferometers
•
•
•
+] Lasers
[+] Lenses
[
+] Optical filters
[+] Optoelectronics
[
•
[
+] Refractometers
[
+] Telescopes
T
•
P
•
•
+] Planetaria
[+] Prisms
[
R
L
•
•
+] Photography
equipment
[
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4
168 nomes
Optical instrument
D
A
AN/PVS-14
AN/PVS-22
ARROW waveguide
Acousto-optic modulator
Optical amplifier
AN/PVS-4
Arrayed waveguide
grating
Astrograph
Optical attenuator
Autocollimator
B
Beam homogenizer
Beam splitter
Beam dump
Binoculars
Binoviewer
Blazed grating
Blink comparator
Borescope
C
Camera
Camera obscura
Camera lucida
Catadioptric system
Cathetometer
Catoptric cistula
Optical cavity
Colorimeter (chemistry)
Comparison microscope
Contact image sensor
Coronagraph
Culpascope
D
Depolarizer (optics)
Diaphragm (optics)
Dielectric wireless
receiver
Diffraction grating
Diffuser (optics)
Dipleidoscope
Distributed Bragg reflector
Dome magnifier
Driver's Vision Enhancer
Dual speed focuser
Dumpy level
Dynameter
E
Echelle grating
EcoSCOPE
Electro-absorption modulator
Electro-Optix
Electro-optic modulator
Eye relief
F
Faraday rotator
Fiberscope
Finderscope
Focus finder
G
Golf mirror
Graphoscope
Ground glass
Gyro gunsight
Gyrotron
H
Haploscope
Hartmann mask
Hinman Collator
Hollow cathode lamp
HoloVID
Holographic grating
Hydroscope
I
Image intensifier
Image-stabilized binoculars
Optical interleaver
J
Jeffree cell
K
Kaleidoscope
Klevtsov-Cassegrain telescope
Korean Commander's Panoramic Sight
L
Laser Doppler Vibrometer
Laser beam profiler
Laser microphone
Lens (optics)
Light pulse generator
Light table
Liquid mirror
Loupe
Lovibond comparator
Lyot stop
M
METATOY
User:MarkoZhuk09/SLMRewrite
Maser
Megalethoscope
Mirror mount
Modulating retro-reflector
Optical modulator
Monochromator
Monocular
Museum of Precinema
N
Nanolaser
Night vision device
Nuller
O
Occulting disk
Opera glasses
Optical circulator
Optical microcavity
Optical modulators using
semiconductor nano-structures
Optical reader Dispoptic 2011
Optical tape
O
Optical axis grating
Optical flat
Optical hybrid
Optical isolator
Optical power meter
Optical ring resonators
Optode
P
Panoramagram
Passive infrared sensor
Periscope
Phased-array optics
Photodetector
Photometer
Photomultiplier
Photoresistor
Phototube
Polarimeter
Polarimetry
Polarizer
Polychromator
Polyrama Panoptique
Pound-Drever-Hall
technique
Primary mirror
Prism (optics)
Prism coupler
Pseudoscope
Q
Q-Spoil
Quantum well infrared
photodetector
R
Refractometer
Remote camera
Retroreflector
Rhinoscope
Ring laser gyroscope
Rolling shutter
S
Scioptric ball
Sight (device)
Silver halide
User:Slicky/Microscopy in science
Solar-pumped laser
Spatial filter
Spatial light modulator
Spectrophotometer
Stanhope (optical bijou)
Star diagonal
Sun photometer
T
Optical table
Tachistoscope
Teleidoscope
Telescope
Theodolite
Time stretch analog-to-digital converter
Tiny Ionospheric Photometer
Total station
Traditional handheld refractometer
Tristimulus colorimeter
Turbinlite
U
Ultrafast monochromator
V
Video camera
Video magnifier
Videoscope
W
Wave plate
Wavelength selective switching
Wright Camera
Z
Zograscope
Zone plate
6
Lente composta como dispositivo ergonômico
Dispositivo óptico
Lente de 3 segmentos
Sem dispositivo óptico
Dor de cabeça, coluna,...
http://ergocab.com/merford_optical_device.html
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Com dispositivo óptico
7
As próximas 7 transparências representam
parte significativa de aplicações de
dispositivos ópticos na Indiana School for the
Blind and Visually Impaired
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8
Indiana School for the Blind and Visually Impaired
Tipos de Dispositivos Ópticos
Dispositivos de Distâncias
intra.isbrockets.org/teams/dept_outreach/2006-09_Update/index_files/typesofdistancedevices.ppt
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9
Binoculares
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10
Monóculos
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Sistemas Biópticos de Campo Inteiro
Telescópio montado sobre óculos
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Sistemas Biópticos
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13
Filtro solar
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Visão Noturna
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Perspectivas para o indivíduo cego ver
http://news.sky.com/skynews/Home/UK-News/Electronic-Eye-Implant-Tested-In-Germany-Allows-Blind-Patients-To-SeeAgain/Article/201011115791549?lpos=UK_News_Third_Home_Page_Feature_Teaser_Region_0 Através de implante eletrônico.
http://www.manufacturingdigital.com/tags/rp-fighting-blindness-society/electronic-implant-means-blind-cansee-again
The device has been developed by the German technology company Retina Implant AG. Within days of
being fitted with the electronic device in their retina, the German patients were able to see objects on a
table, including a cup and saucer and one was able to read his own name.
Professor Robert MacLaren, from the Oxford Eye Hospital, said: "Until now this concept would have been
considered only in the realms of science fiction. What surprised all of us was just how much resolution you
can get from the implant."
The device consists of an electronic plate just three millimetres square, which is coated with 1,500 lightsensitive sensors.
Each sensor triggers an electronic pulse that stimulates nerves that lead to the brain. Patients see a rough
black and white image.
It was fitted to three patients with the inherited condition retinitis pigmentosa, which gradually destroys the
light-sensitive retina at the back of the eye, causing blindness.
Lead researcher Professor Eberhart Zrenner said: "The visual functions of patients can in principle be
restored to a degree sufficient for use in daily life."
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O olho humano tb é considerado
PORQUE QUEREMOS CUIDARTE.....TE PEDIMOS QUE TE
TOMES 5 MINUTOS
Y LEAS EL ARCHIVO ADJUNTO.
DR. ROBERT GRACO
DEPARTAMENTO SALUD OCUPACIONAL
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O olho humano tb é considerado
Salud ocupacional
PORQUE QUEREMOS CUIDARTE.....TE PEDIMOS QUE TE
TOMES 5 MINUTOS
Y LEAS EL ARCHIVO ADJUNTO.
DR. ROBERT GRACO
DEPARTAMENTO SALUD OCUPACIONAL
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¿CUÁNTAS VECES PARPADEA
EL OJO HUMANO POR MINUTO?
En una conversación, los interlocutores
parpadean una media de 22 veces por minuto.
Cuando alguien lee, la frecuencia de este parpadeo
se produce 12 a 15 veces por minuto.
Pero cuando se está sentado
delante de una computadora, los ojos
¡¡¡PARPADEAN MENOS DE
5 veces por MINUTO!!!
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ojo seco
y menos parpadeo
• La concentración de nuestra atención
en la pantalla hace disminuir la frecuencia
del parpadeo e incrementa la sintomatología
del ojo seco.
• Esto aumenta la fatiga ocular y mental.
• Un ojo sin la lubricación del parpadeo es
como un motor sin aceite: los pistones
se pegan a las camisas de los cilindros
y el motor se debe tirar a la basura.
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ojo seco
y posición del monitor
La pantalla debe estar debajo del
horizonte visual. Esto permite que
los párpados cubran mayor superficie
del globo ocular y disminuya
la exposición de la córnea.
Así será menor la desecación de la
película lagrimal que cubre la córnea
y protege de los síntomas del ojo seco
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En esta posición la córnea está
totalmente expuesta a ser dañada.
Esto se puede ver en los hogares, en los centros
de estudio estatales y privados
en lugares de trabajo, en las escuelas,
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en2011
los cibercafés, etc.
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El horizonte visual
debe pasar sobre
el borde superior
del monitor.
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La cabeza está levemente
inclinada hacia el monitor.
Desde esa posición el
párpado cubre casi todo
el globo ocular, lo
protege del brillo de la
pantalla y disminuye la
fatiga visual y mental.
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ZONA EXPUESTA
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ojo seco
y cansancio visual
Una fuente de incomodidad
y cansancio visual reside en
que las personas que deben
usar anteojos no siempre los
tienen adecuados a la distancia
respecto de la pantalla, cosa
que deben resolver con su
oftalmólogo.
A ello se suma que muchos
lugares de trabajo no cuentan
con una adecuada iluminación.
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ACERCA
DE
LA
ILUMINACIÓN
UBICACIÓN DEL MONITOR
en relación a las
fuentes de iluminación
(ventanas, lámparas,
tubos).
Se trata de evitar los
reflejos en la pantalla,
con lo que se aumenta
la visibilidad y disminuye
la fatiga ocular
Para un correcto uso de las pantallas
del monitor, debe verificarse que la
iluminación ambiental sea lo
suficientemente tenue para un buen
contraste de la pantalla sin que
dificulte la visión de textos,
lapiceras, etc. que haya sobre la mesa.
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La luz de
la ventana
da en
el rostro
del operador
La luz de
la ventana
se refleja
en el
monitor
ACERCA
DE
LA
ILUMINACIÓN
Las fuentes de luz eléctrica provocan reflejos
en las pantallas de ambos monitores
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ACERCA
DE
LA
ILUMINACIÓN
La luz natural de la ventana llega a los costados
de los monitores y no molesta a los operadores.
La luz eléctrica cae detrás de los monitores.
Es preferible utilizar artefactos de luz de mesa
pues se pueden ubicar de modo que no reflejen
luz en las pantallas ni den en los ojos
del operador.
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SÍNTOMAS VISUALES
MÁS FRECUENTES
• Pesadez ocular.
• Pesadez de los párpados.
• Visión borrosa.
• Enrojecimiento ocular.
• Sequedad ocular.
• Molestias y dolores
causados por la luz.
• Arenilla en los ojos.
• Molestias permanentes
SÍNTOMAS NO OCULARES
MÁS FRECUENTES:
• Cefaleas.
• Dolor y contractura cervical.
• Dolores dorsolumbares.
• Túnel carpiano.
• Cambios de carácter con
• irritación e insomnio.
Las causas de estos síntomas están
relacionadas fundamentalmente con
factores posturales tanto de los ojos
como del esqueleto y los músculos
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PROBLEMAS CIRCULATORIOS QUE SE DEBEN PREVENIR
Al estar sentado largas horas
sin mover las piernas, parte de
la sangre que debería retornar
al corazón, se acumula en las
venas de las piernas,
brazos y cuello dificultando
en forma creciente la normal
circulación sanguínea.
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De forma periódica y activa
debemos mover suave y
regularmente las piernas
para que la circulación de
la sangre sea adecuada
en todo momento
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LINEA ROJA DEL
HORIZONTE VISUAL
MONITOR UBICADO
DEBAJO DE LA
LÍNEA DEL
HORIZONTE VISUAL
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ALTURA
DEL
MONITOR
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Todos los estudios biomédicos efectuados hasta la fecha,
no han demostrado que existan riesgos para la salud a causa
de radiaciones ionizantes o no ionizantes emitidas por las
pantallas de las computadoras.
Doctor, ¿es verdad que la PC
no es radioactiva?
Lo que realmente se ha comprobado es que los principales
responsables de la mencionada sintomatología son los factores
relacionados con la posición del cuerpo frente a una PC y,
especialmente, la disposición de los ojos frente a la pantalla,
como así también la manera en que planificamos el desarrollo
de las actividades con estos equipos.
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RECOMENDACIONES PARA
LOS USUARIOS DE PC
• Utilice colirios humectantes en forma periódica
mientras trabaja con pantallas.
• Si usa Lentes de Contacto utilice los colirios
humectantes con mayor frecuencia.
• Ubíquese frente a la pantalla de modo que su
mirada sea ligeramente hacia abajo.
• No trabaje más de 50 minutos corridos.
• Tome un descanso de 5 a 10 minutos, levántese
y mire a lo lejos y cerca sucesivamente.
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RECOMENDACIONES
PARA LOS USUARIOS DE PC
• Dirija su mirada a la lejanía para movilizar los músculos
del ojo.
• Regule la temperatura ambiental para evitar el aumento
de la sequedad ocular.
• Consulte al oftalmólogo por posible necesidad de
corrección óptica para distancias intermedias y para
controles y estudios que eviten el inicio de la sequedad
ocular.
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ojo sano
ojo “seco”
• Salvá tus ojos!!!
• Parpadear para lubricar
• Parpadear para lubricar
• Parpadear para lubricar
• No hay repuestos para tus ojos...
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Um outro dispositivo atual
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Pinças ópticas e aplicações
Ferramenta para micromanipulação sem contacto
Partículas microscópicas (10nm a 10um)
Armadilhadas no foco de um laser de baixa potência
Manipulados tridimensionalmente movimentando a amostra ou a armadilha.
Onde? Ciências biológicas e coloidais.
Como? Posicionadores nanométricos.
http://129.215.76.37:8080/Plone/research/micromanipulation/optical-tweezers-and-applications (link fora do ar?)
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http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers
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Identificar criar, manipular ou medir radiação eletromagnética
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http://chu.berkeley.edu/dokuwiki/chu:research
:optical_tweezers_tir
A = Inverted Optical
Microscope Base
B&C = Fluorescence
Detection
D&E = Optical Trapping
F&G = Active Microscope
Stabilization
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Forças atuantes
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Pinças ópticas
Figure 1a) Lateral Trapping
Figure 1b) Axial Trapping
Desde que a intensidade do feixe de laser apresenta um
comportamento gaussiano na sua seção transversal, existem
forças que empurram as partículas na direção de maior
intensidade seja na transversal ou na longitudinal..
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Vídeos
• Optical tweezers 1
• Optical tweezers 2
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Importância
• No atual momento das comunicações e
sensoriamento, os dispositivos ópticos tem
uma relevância enorme no desenvolvimento
de novas técnicas através de novos
materiais (meta-materiais, nanoestruturas,
etc)
• Óptica e Fotônica
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Uma revisão geral
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Fibras Ópticas
Um pouco de história:
1. Sinais de fogo, fumaça, códigos visuais
2. 1790 Claude Chappe, Paris-Lille (230 Km),
Semáforo = telegrafo óptico
3. 1870 John Tyndall – jato de água
4. Alexander Graham Bell, Charles Sumner Tainter
- 1880 - Fotofone
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Semáforo
5 minutos para transmitir a uma distância de 190 km
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Mapa da França com semáforo
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O homem que
guiou a luz.
Daniel Colladon
(38) professor na
Universidade de
Genebra
demonstrou
como guiar a luz
em 1841.
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John Tyndall 1870, demonstração da reflexão interna total (TIR)
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Detalhes históricos
• Reflexão Total Interna(TIR) é atribuída a John Tyndall (1854 experimento em
Londres). Daniel Colladon o precursor não chegou a mostrar a TIR, mas
simplesmente como a luz pode ser guiada.
• Livro City of Light (Jeff Hecht, 1999) relata a historia do TIR.
• Primeira demonstração em Genebra em 1841 por Daniel Colladon
(Comptes Rendus, vol. 15, pp. 800-802, Oct. 24, 1842).
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• A luz fica confinada ao longo do caimento
da água.
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Graham Bell 1880 - fotofone
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primeira transmissão de voz,
através de luz não guiada
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E o telefone?
1870 Elisha Gray e Alexander Graham Bell
Bem antes do fotofone!
•Fixo =========== via fio de cobre, ponto a ponto
•Sem fio ========= ondas de radio, celulares
•Via satélite ====== satélites geoestacionários
•VoIP =========== Voice Over Internet Protocol
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Pq o fotofone não evoluiu?
• Que tipos de dificuldades para enviar a luz?
• O que houve com os fios de cobre?
• Atualmente ~10% ou mais das redes utilizam
fibra óptica
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FIBRAS ÓPTICAS
• 1920 Independentemente - John Logie Baird (UK) e
Clarence W. Hansell (USA) – patentes sobre o uso de
arranjos de encanamentos ou tarugos transparentes
para transmissão de imagens ou fac-símiles.
• 1954 Independentemente - Abraham Van Heel
(Dinamarca) e Harold H. Hopkins (UK) – uso de maço
de fibras revestidas e não revestidas no transporte de
imagens.
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Fibras
Vantagens
1. baixa atenuação
2. largura de banda
3. Imunidade à interferência eletromagnética
4. baixo peso (rvidro~2,5 g/cm3, rcobre ~8,9 g/cm3)
5. sigilo
6. isolação elétrica
Existe alguma forma de quebrar o sigilo da transmissão por fibra óptica? Procurem
ver para próxima aula
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Fibras
Desvantagens
1. acoplamento e emenda da fibra
2. derivações limitadas
3. padrão dos sistemas ópticos
4. fragilidade da fibra
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Guias de onda de luz
Duas categorias:
1. Bloco dielétrico – sanduíche
Confinamento da propagação planar em n1
n3
n1
n2
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Guias de onda de luz
2. Fibras ópticas:
–
–
De vidro ou plástico, de simetria cilíndrica
Com secção transversal anular
n2
n1
n 1 > n2
GRIN
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FIBRAS ÓPTICAS
•
Propriedades:
1. Propagação confinada ao núcleo, n1, por reflexão
total interna, mesmo assim qdo a fibra é envergada
ou enrolada
•
Duas categorias:
1. Índice de refração degrau (n1 é constante)
2. Índice de refração gradiente (GRIN). Diferentes tipos
de gradientes conforme objetivos.
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GRIN
• GRIN – GRadient INdex
O índice de refração é função do raio
= diferença de índice relativo
a = raio do núcleo
a = tipo de perfil do GRIN
a = 1 perfil triangular
a = 2 perfil parabólico
a = ∞ perfil degrau
Trabalho: qual é a equação de propagação dos raios dentro da fibra para
um caso do núcleo com índice de refração parabólico?
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Teoria de propagação
n1
Ar
no
n2
n1 > n2
Meio externo da fibra: Ar
Fibra com índice de refração degrau
Aplicação da Lei de Snell em cada
interface
A medida que q0 diminui qi .......... Até
atingir o ângulo qc
qo = qa qdo qi = qc
Todos os raios que incidem com ângulo
menor que qase propaga na guia de
onda por reflexão interna total.
Abertura numérica NA de uma guia de
onda, uma espécie de medida ou
característica que mostra o quanto que
a guia de onda consegue receber luz
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Teoria de propagação
n1
Ar
no
n2
n1 > n2
onde pela Lei de Snell sinqc=n2/n1
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Parâmetros numa fibra
Diferença de índice de refração entre
núcleo e revestimento
Parâmetro V que determina o número de
modos suportados por uma fibra. Caso
específico V<2.405 → monomodo
a é o raio do núcleo
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Alguns exemplos
1.- Uma fibra óptica com um núcleo de vidro flint denso, n1 = 1,66, e
um recobrimento de vidro crown, n2 = 1,52. Qual é o maior ângulo
de abertura (metade do ângulo do cone de luz que entra na fibra)
para que a luz que seja transmitida ao longo da fibra?
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.....cont
n2
n1
q3 ≥ qc
onde qc é o ângulo crítico para que o feixe
de luz seja totalmente refletido para dentro do
núcleo.
Notar que aumentando q1 diminui q3
A solução será ..........
Colocando q3 = qc para determinar q1 utilizando a
lei de Snell
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....cont
n2
n1
Em A:
Em B:
Substituindo na primeira eq:
Sendo n1 = 1,66 e n2 = 1,56 O valor
calculado
de q1 é 42o
Dispoptic
2011
74
Outro exemplo
2.- Qual é o raio de menor curvatura que podemos dobrar numa
fibra óptica com núcleo de 0,05mm sem perder luz? O índice
de refração do núcleo é 1,66 e da cobertura é de 1,52
Adotamos a suposição de que um feixe de luz ABCDE incide de forma
colimada na fibra.
Observamos que o feixe E incide com o menor ângulo na interface
núcleo/cobertura.
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.......Cont.
Adotamos a suposição de que um feixe de luz ABCDE incide de forma
colimada na fibra.
Observamos que o feixe E incide com o menor ângulo na interface
núcleo/cobertura.
Basta colocar esse ângulo como se fosse o ângulo crítico, evitando
perdas.
Pela definição
Pela figura
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Várias configurações de fabricação
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77
Próxima Aula
• Descrição mais apropriada sobre a propagação
da luz em guias de onda, tratamento
ondulatório, através das eqs de Maxwell.
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