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.
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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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.
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Interferômetro para gravação das FBG
Espectro de uma FBG
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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)
.
Imagem de OCT de uma cabeça de libélula obtida no Laboratório de Laser, juntamente com fotografia (escala em milímetros).
Leia mais sobre a nova área de pesquisa no CPGEI (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) na UTPR:
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, bancada de espectroscopia UV-VIS e Raman e Microscópio Raman.