Fotônica

    A Fotônica é a ciência cuja finalidade é o controle, manipulação, transferência e armazenamento de informações utilizando fótons, que são os quanta de energia do campo eletromagnético. Seu propósito pode ser considerado o mesmo que o da Eletrônica, mas beneficiando-se das vantagens advindas do uso de fótons em lugar de elétrons. O resultado são dispositivos mais rápidos, não limitados pela resistividade elétrica inerente aos elétrons nos metais e semicondutores.
    Assim como a Eletrônica, que teve seu maior desenvolvimento a partir de 1958 após o desenvolvimento dos circuitos integrados, a descoberta do Laser em 1960 e o aprimoramento das fibras óticas no final dos anos 70 impulsionou as pesquisas na fotônica e nas comunicações óticas.
    As fibras óticas e a fotônica também podem ser usadas no desenvolvimento de transdutores óticos para produção de sensores para diversos parâmetros físico-químicos como temperatura, tensão mecânica, vibração, índice de refração, poluição química ou biológica, etc.



Filtros de Rocking (RF)

    Também conhecido como Acoplador de Polarização, o filtro de Rocking é um dispositivo foto-refrativo produzido no interior de uma fibra ótica que acopla dois modos de polarização ortogonais em uma banda específica de comprimentos de onda. Para a produção dos dispositivos, deve-se alterar o índice de refraçao do núcleo de uma fibra ótica birrefringente de uma maneira controlada e periódica. O resultado é uma grade foto-refrativa que irá acoplar os modos eletromagnéticos que satisfaçam a uma condição de casamento de fase específica. Uma vez que este acoplamento é dependente de algumas condições do meio externo à fibra ótica, o dispositivo pode ser utilizado como sensor de temperatura ou tensão mecânica, por exemplo.
    O processo de alteração do índice de refração da fibra pode ser efetuado utilzando-se técnicas óticas com lasers de emissão visível (técnica interna de escrita), ou lasers ultravioleta (técnica externa de escrita).

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Redes de Bragg (FBG)

     Estes dispositivos foto-refrativos podem ser produzidos no núcleo das fibra óticas utilizando-se lasers visíveis ou ultravioleta, de maneira semelhante a técnica empregada para produçãodos Filtros de Rocking. A técnica externa é mais empregada, pois possibilta que o dispositivo opere em um comprimento de onda arbitrário, ao passo que a técnica interna restringe o comprimento de onda de operação àquele utilizado na gravação do dispositivo. Assim, é possível construir dispositivos que operem na janela de comunicações óticas em torno de 1.55 µm, tornando-o compatível com a maioria dos sistemas de comunicação existentes.
    A rede de Bragg permite selecionar um único comprimento de onda de uma banda larga de comprimentos de onda que tenham sido acoplados à fibra, direcionando-o para algum outro componente particular do sistema ótico. Desta forma, a monitoração deste comprimento de onda pode trazer informações sobre o meio externo à fibra (como temperatura, tensão mecânica ou vibração, por exemplo), ou então direcionar informações que estejam codificadas neste comprimento de onda para um sistema de comunicação ótica.

Interferômetro para gravação das FBG


Espectro de uma FBG

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Redes de Período Longo (LPG)

    Esta classe de dispositivos pode ser produzida empregando-se as mesmas técnicas comuns à produção dos RF e das FBG, mas uma técnica particularmente interessante é a de produzir as alterações periódicas do índice de refração da fibra utilizando-se de um arco de descarga elétrica de uma máquina de fusão de fibras. A LPG acopla luz do modo fundamental de núcleo para modos de casca da fibra ótica, produzindo diversos vales de atenuação na banda espectral da luz que é transmitida pela fibra.
    Uma vez que os modos de casca são bastante sensíveis a variações do meio ambiente externo à fibra, este é um transdutor extremamente sensível a parâmetros como índice de refração deste meio ou curvaturas da fibra.



Máquina de fusão empregada na produção das LPG.

 

Espectro de uma LPG

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Tomografia por Coerência Ótica (OCT)


     A Tomografia por Coerência Ótica (OCT - Optical Coherence Tomography), é uma técnica que permite a obtenção de imagens da superfície ou do interior de materiais. Essas imagens podem mostrar secções do corpo, ou então podem ser combinadas para a formação de imagens tridimensionais, de forma semelhante às imagens obtidas por meio da tomografia convencional (CT - Conventional Tomography) com Raios-X. A vantagem da OCT  sobre a CT é a utilização de radiação infravemelha ao invés de radiação ionizante, evitando assim os danos associados com a interação desse tipo e radiação com  tecidos vivos.
     As imagens são obtidas com uma técnica semelhante à utilizada no Ultrassom convencional, medindo o tempo gasto por um sinal de inspeção (uma onda) para percorrer um caminho de ida e volta desde a fonte até uma interface refletora dentro do material. O tempo de ida e volta do sinal está relacionado com a velocidade de propagação da onda no material e com as distâncias percorridas, permitindo o mapeamento espacial das diversas interfaces entre camadas de diferentes materiais dentro do corpo. Por sua vez, a intensidade do sinal refletido está associada com as diferenças de densidade (ou de índice de refração) entre as interfaces do material, permitindo o mapeamento dessa grandeza em uma escala de tons de cinza ou de falsa cor.
     As imagens de OCT exibem uma resolução espacial em torno de 10 micrometros, uma resolução intermediária à obtida com a Microscopia Confocal (
~1 micrometro) e o Ultrassom Convencional (~100 micrometros a 1 milímetro).

 

 

 

 

 

Imagem de OCT das impressões digitais de um dedo
(http://www.cardiff.ac.uk/optom/research/researchgroups/biomedicalimaging/index.html).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



Espectroscopia Ótica

    A capacidade de emprego de espectroscopia de emissão, absorção e espalhamento Raman no estudo de processos e de materiais já é bem conhecida com aplicações na física, química, biologia, engenharia, astronomia, indústria e meio ambiente. Uma das áreas de pesquisa do laboratório visa explorar para sensoriamento, principalmente na área ambiental, as funcionalidades da espectroscopia ótica e de colóides de nanopartículas metálicas por ablação laser.
     Particularmente no estudo de compostos moleculares, a espectroscopia Raman é uma ferramenta útil uma vez que fornece informações sobre a assinatura vibracional de compostos químicos complementando assim à absorção no infravermelho. Apesar da intensidade dos espectros Raman ser comparativamente mais fraca do que a intensidade dos espectros de emissão, podem ser utilizadas técnicas de intensificação a fim de contornar as dificuldades experimentais.
     Uma das técnicas de amplificação utilizadas consiste no espalhamento Raman intensificado por superfície (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS). O SERS é obtido usando superfícies metálicas nanoestruturadas ou colóides de nanoestruturas metálicas podendo fornecer intensificações da ordem de 104 até 1015.

              

Sistema de ablação a laser para produção de nanopartículas metálicas e bancada de espectroscopia UV-VIS e Raman.

 

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Leia mais sobre a nova área de pesquisa no CPGEI (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) na UTPR:

FOTÔNICA EM ENGENHARIA

 

Imagem de OCT de uma cabeça de libélula obtida no Laboratório de Laser, juntamente com fotografia (escala em milímetros).