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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

palestra convidada na LAOP

não haverá aula em sala

atividade acadêmica complementar

19/11

Miscelânea

2

https://en.wikipedia.org/wiki/Zodiacal_light

• RESUMO:

• Interação radiação-matéria II: espalhamentos elásticos einelásticos (não-elásticos), espalhamentos não-lineares(estimulados).

FF-289 – Introdução à FotônicaParte II: Aula 05 – 05 NOV 2018

3http://www.pnas.org/content/108/9/3809.full

Interação radiação-matéria II

Espalhamentos Ópticos

4

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.


Espalhamentos Elásticos

5

Comparação entre Espalhamentos Rayleigh, Mie e Geométrico:

Rayleigh: partícula

Mie: partícula

Geométrico: partícula (Óptica Geométrica)

https://en.wikipedia.org/wiki/Mie_scattering



6

Espalhamento Rayleigh:

Partícula

Origem do espalhamento: átomos, moléculas, flutuações das propriedades ópticas de um meio material, etc.

Intensidade espalhada (I) por esferas dielétricas: I0 : 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



7


Responsável pela tonalidade azuladado céu, e avermelhada do nascer/pôrdo sol.

� ∝ ��

�

�� + ��

https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scatteringE. Hecht. Optics. Pearson, 5th Ed., 2017.



8


Espalhamento pode apresentar polarização preferencial, dependendo do material e das características da iluminação.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering



9


Efeito Tyndall (Espalhamento Willis-Tyndall) em colóides(partículas dispersas insolúveis)

https://en.wikipedia.org/wiki/Tyndall_effect

Vidro opalescente

Suspensão Coloidal



10

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



11

Espalhamento Geométrico (Geometria Óptica) :

Ocorre quando: partícula

Exemplos: superfícies e objetos, em geral; etc

Aplica-se, com precisão, os princípios da óptica geométrica



12

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.



13

Espalhamento Bragg:

Acustoóptica: efeito elastoóptico altera o índice de refração.




14

Espalhamento Bragg:

Comprimento de onda do fóton difratado/espalhado é deslocadopelo valor da frequência da onda acústica: r =

Conservação de energia e momento (vetor de onda)




15

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

Coffee Break

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Espalhamentos Inelásticos (Não-elásticos)

17https://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering#Inverse_Compton_scattering

Espalhamento Compton:

Espalhamento devido a partículas carregadas eletricamente

Efeito Compton

Fotón: Raio-X ou Raio-Gama



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Normal modes of vibration progression through acrystal. The amplitude of the motion has beenexaggerated for ease of viewing; in an actual crystal,it is typically much smaller than the lattice spacing.

Espalhamentos Brillouin & Raman: Interação da luz com os modos

vibracionais e rotacionais, quantizados, da matéria. Em especial, com fónons(quase-partículas associadas aos modoscoletivos em sólidos e alguns líquidos)

Brillouin: fónos acústicos

Raman: fónons ópticos (modosvibracionais e rotacionais)

Optical and acoustic vibrations in linear diatomic chain. (https://en.wikipedia.org/wiki/Phonon)



19

The atoms in a CH2 group, commonly found inorganic compounds, can vibrate in six different ways:symmetric and asymmetric stretching, scissoring,rocking, wagging and twisting.

Espalhamentos Brillouin & Raman:

Modos vibracionais e rotacionais, quantizados, da matéria.

(https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_vibration)



20


Modos vibracionais e rotacionais coletivos em sólidos (cristais)

http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaN/mechanic.html

(https://en.wikipedia.org/wiki/Phonon)



21


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



22B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007.

Espalhamento Brillouin & Raman:

Interações não-ressonantes por meio de estados energéticosvirtuais: faixa espectral ampla.

Desvio Stokes (out in) ou Anti-Stokes (out in)



23R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, 2007.

Espalhamento Brillouin & Raman:

Emissão espontânea tem comportamento óptico linear.

Propriedades físicas diferem significativamente.

Rayleigh-wing não ocorre em materiais dielétricos isotrópicos.



24

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

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.



25

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.



26

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



27

P. Vandenabeele. Practical Raman spectroscopy: an introduction, Wiley, 2013.B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007.

Espalhamento Raman:

Múltiplas faixas possibilitam caracterizar materiais(espectroscopia Raman)



28

Espalhamento Raman:

Frequency shift em cm-1: ( / 2 ) em unidades de cm-1

= c0 ( / 2 )

P. Vandenabeele. Practical Raman spectroscopy: an introduction, Wiley, 2013.


Espalhamentos Não-lineares (Estimulados)

29R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, 2007.

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



30

R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, 2007.


Pode limitar a propagação em fibras ópticas, em altas intensidades



31

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.


Aplicações: Sensores a fibra óptica: temperatura e deformação

Imageamento óptico via método de Conjugação de Fases.



32

R. W. Boyd. Nonlinear Optics, 3rd Ed.. Academic Press, 2007.B.E.A. Saleh, M.C. Teich. Fundamentals of Photonics, 2nd Ed.. Wiley, 2007.

Espalhamento Estimulado Raman:

Amplificação Óptica

Laser Raman

Múltiplas faixas

Efeito óptico não-linear 3a ordem



33C. Headley and G. P. Agrawal. Raman Amplification in Fiber Optical Communication Systems, Academic Press, 2005.

FINISAR - Raman Amplifier Module

Espalhamento Estimulado Raman:

Amplificação Raman

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.

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• Projeto-Exame:

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