TEORIA DE ÓPTICA GEOMÉTRICA

 

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

 

LUZ

¨     TEORIAS

¨     Teoria corpuscular da luz (Newton - Séc.XVIII)

¨     Luz constituída por um feixe de partículas;

¨     Teoria ondulatória da luz (Huygens e Hook - Séc.XVIII; Fresnel, Maxwell, Hertz, Kirchhoff – Séc.XIX);

¨     Luz constituída por propagação de ondas

¨     Reintrodução da teoria corpuscular (Hertz e Einstein – final do Séc. XIX e início Séc. XX)

¨     Modelo corpuscular (de partículas) da luz – fótons;

 

 

¨     A VELOCIDADE DA LUZ

 

           c = 299.792.457 m/s (Para efeito de cálculo: c= 3x10⁸ m/s) no vácuo.

 

   Obs: Para a propagação da onda eletromagnética no espaço livre, o comprimento de onda l é igual a razão entre a velocidade da luz no vácuo  e freqüência em hertz, ou l= c/f.

 

 

 

A PROPAGAÇÃO DA LUZ

 

¨     Princípio de Huygens:

“Cada ponto de uma frente de onda primária serve como fonte puntiforme de ondículas secundárias esféricas que avançam numa velocidade e numa freqüência igual à velocidade e a freqüência da onda primária. A nova frente de onda primária, num instante posterior, é a envoltória das ondículas”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

REFLEXÃO

  

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

REFRAÇÃO

 

 

 

    

    Se l for o comprimento de onda da luz no vácuo, o comprimento de onda l’ da mesma luz no meio de índice de refração n é:

                         l’ = v/f

                          v = c/n    l’ = l/n

 

Índices de Refração

 

 

A velocidade da luz num meio é caracterizada pelo Índice de Refração:

                v = c/n

 

 

 

 

A FIBRA ÓPTICA

 

    A transmissão da luz via uma estrutura de guia de onda dielétrico foi inicialmente proposta e investigada no início do século XX. Um bastão dielétrico transparente, tipicamente de vidro (sílica – SiO₂), com um índice de refração em torno de 1.5 e circundado pelo ar, provou ser um guia de onda impraticável, principalmente devido a sua estrutura e as excessivas perdas em quaisquer descontinuidades na interface vidro-ar.

    Interesses na aplicação de guias de onda dielétricos ópticos em certas áreas, tais como imagem óptica e diagnóstico médico (endoscópios), orientaram propostas para o uso de um bastão dielétrico com casca, para superar os problemas citados acima. Esta estrutura é mostrada na figura abaixo:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    ou sen a/sen b = n2/n1

 

 

 

 

 

 

 

REFLEXÃO INTERNA TOTAL

 

    Como n1 é maior que n2, o ângulo de refração é sempre maior que o ângulo de incidência. Assim, quando o ângulo de refração é 90^o e o raio refratado emerge paralelo à interface entre os dielétricos, o ângulo de incidência deve ser menor que  90^o. Este é caso limitante da refração e o ângulo de incidência é agora conhecido como ângulo crítico f_c ,

 

 

 

 

 

 

 

    O valor do ângulo crítico é dado por:

 

    sin f_c = n2/n1

 

    Para ângulos de incidência maiores que o ângulo crítico, a luz é refletida de volta para dentro do meio dielétrico original (reflexão interna total) com alta eficiência (99.99%).

 

 

 

PROPAGAÇÃO DA LUZ NA FIBRA

 

A transmissão de um raio de luz dentro da fibra óptica ocorre via uma série de reflexões internas totais na interface do núcleo de sílica e a casca, de índice de refração levemente inferior.