Capitalisation des connaissances

A função principal dos dispositivos analisadores de espetros óticos é a de medir a intensidade luminosa de uma fonte, em função do comprimento de onda. Esta funcionalidade é de extrema importância no estudo da luz visível, uma vez que é a distribuição dessas intensidades que determina a sua cor.

Os analisadores existentes atualmente podem ser divididos em três categorias distintas consoante o seu tipo de funcionamento: uma delas baseada na utilização de redes de difração e duas baseadas em técnicas de interferometria [53].

Dentro da categoria dos analisadores baseados em interferometria distinguem-se dois tipos, conforme o interferómetro utilizado, são eles o Fabry- Pérot e Michelson.

Independentemente da existência de diferentes tipos de analisadores de espetros, o princípio de funcionamento segue sempre a mesma lógica. O seguinte diagrama de blocos ilustra os componentes principais de um destes equipamentos.

Figura 3.1 - Diagrama de blocos básico de um analisador de espetros óticos [53].

Na entrada do equipamento é colocada a fonte luminosa cujo espetro é de interesse. Esta é, então, filtrada por um sistema que atua como um filtro passa banda.

O filtro, tipicamente, apresenta duas funcionalidades fundamentais. A primeira caracteriza-se pelo facto de ser sintonizável, o que permite definir o seu comprimento de onda central. Esta sintonização é representada pelo gerador em rampa da figura.

A segunda funcionalidade é dada pela capacidade de escolha da sua largura de banda. Quanto menor for a largura de banda, menor será a largura

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(3.1) espetral que por ele atravessa. Esta característica permite a manipulação da resolução do equipamento.

À saída do filtro surge um fotodetetor que irá gerar uma corrente proporcional à potência ótica sobre ele incidente. Uma vez que a medição direta da corrente não é conveniente, este valor é convertido para uma tensão, possibilitando a sua medição através de um conversor analógico para digital. Este último passo é realizado por meio de um amplificador de transimpedância.

Posteriormente, e a nível de software, é realizado algum processamento de sinal e os resultados são então apresentados ao utilizador através de um ecrã instalado no próprio equipamento.

De seguida são apresentados os tipos de analisadores de espetros óticos consoante o seu método de funcionamento.

3.1.1 Analisadores de Espetros Óticos baseados em Interferómetros de Fabry-Pérot

No caso do interferómetro de Fabry-Pérot é utilizada uma cavidade, composta por dois espelhos refletores instalados em paralelo, que recebe a luz proveniente da fonte. Esta configuração dá origem a um fenómeno de ressonância, no qual apenas se poderão propagar determinados comprimentos de onda específicos. A seguinte figura ilustra o princípio de funcionamento de um analisador de espetros óticos deste tipo.

Figura 3.2 - Princípio de funcionamento de um analisador de espetros óticos baseado em interferometria de Fabry-Pérot [53].

Os comprimentos de onda ressonantes de uma cavidade de Fabry-Pérot podem ser calculados através da seguinte expressão [13]:

𝜆𝑞 = 2𝑛𝐿_𝑐 ↔ 𝜆 = 2𝑛𝐿𝑐

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Nas expressões anteriores, λ representa um comprimento de onda

ressonante, n o índice de refração do meio, Lc o comprimento da cavidade, e q

um número inteiro que representa os vários comprimentos de onda que se podem propagar na cavidade.

Pela expressão (3.1) pode concluir-se que é possível a variação dos comprimentos de onda ressonantes através da variação do comprimento da cavidade. Esta é a técnica utilizada nestes equipamentos para efetuar o varrimento do espetro. Já a resolução é, tipicamente, fixa.

Uma grande vantagem desta tecnologia deve-se às altas resoluções possíveis de atingir. Isto permite a realização de leituras de regiões bastante finas do espetro, e com grande detalhe.

Por outro lado, e tal como se pode deduzir da expressão (3.1), a equação é satisfeita para diferentes comprimentos de onda, ditados pela variável q. Ora esta situação é indesejável pois, no fotodetetor, para além de chegar o comprimento de onda de interesse, irão também chegar outros comprimentos de onda que satisfaçam a equação.

Uma forma de contornar o problema é a utilização de um monocromador após a cavidade Fabry-Pérot.

3.1.2 Analisadores de Espetros Óticos baseados em Interferómetros de Michelson

Nos analisadores de espetros óticos baseados em interferómetros de Michelson, o princípio de funcionamento consiste em comparar dois impulsos de luz da mesma fonte, mas com atrasos diferentes.

Este atraso é obtido dividindo o impulso luminoso e forçando-o a percorrer percursos distintos que, posteriormente, irão atingir o mesmo ponto em tempos diferentes. Apresenta-se abaixo um exemplo.

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Figura 3.3 - Princípio de funcionamento de um analisador de espetros óticos baseado em interferometria de Michelson [53].

Afastando ou aproximando um dos espelhos do centro é possível aumentar ou diminuir, respetivamente, o atraso entre ambos os percursos. Da interferência entre os dois percursos resulta uma função de autocorrelação que, posteriormente, atinge o fotodetetor.

O espetro da fonte luminosa é então reconstruído, por meio de aplicação da Transformada de Fourier à função de autocorrelação, e apresentado ao utilizador.

3.1.3 Analisadores de Espetros Óticos baseados em Redes de Difração

Neste tipo de analisadores de espetros é provocada uma dispersão da luz inserida no equipamento, provocando uma separação espacial dos diferentes comprimentos de onda que a compõem.

Este fenómeno é criado com recurso a uma rede de difração, que consiste num material cuja superfície apresenta uma estrutura rugosa periódica a qual, quando exposta à luz, a reflete em diferentes direções consoante o comprimento de onda. De seguida, surge um exemplo deste princípio de funcionamento.

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Figura 3.4 - Princípio de funcionamento de um analisador de espetros óticos baseado em redes de difração [53].

A rede de difração, ao ser atingida pela luz, irá provocar uma dispersão dos vários comprimentos de onda, ao mesmo tempo que os reflete em direção ao fotodetetor. Entre o fotodetetor e a rede é colocado um obstáculo com uma ranhura, e só por esta pode passar a luz. A abertura é controlada para permitir uma maior ou menor resolução.

Através da variação do ângulo de ataque da rede é realizado o varrimento ao longo do espetro.