Desenvolvimento e Caracterização de um Modelador Óptico Programável

1. Desenvolvimento e Caracterização de um Modelador Óptico Programável Guilherme Cañete Vebber Orientador: Ricardo R. B. Correia Colaboradores: Ismael A. Heisler e Jorge A. Lisbôa

2. Perfil de Entrada Perfil de Saída ΔA Modelador Óptico Modulação de Amplitude A0 A1 ΔΦ Modulação de Fase Modelador Óptico Φ0 Φ0 Φ1 Φ1 Modeladores Ópticos • Dispositivos capazes de manipular o perfil de propagação da luz através de modulações de fase e amplitude

3. DIVISOR DE FEIXE MODELADOR IMAGEM INICIAL MODELADOR IMAGEM FINAL Modeladores Ópticos Modelador Óptico Espacial

4. Modeladores Ópticos Modelador Óptico Espectral Componentes espectrais Máscara Pulso de entrada Pulso de saída modelado

5. Modeladores Ópticos Espectrais Aplicações • Filtro Óptico Espectral: pulsos FTL (limitados por transformada de Fourier) sintonizáveis • Correção de Fase: pulsos mais curtos e intensos WEINER, A. M. Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, v. 71, n. 5, p. 1929-1960, Maio 2000.

6. Modeladores Ópticos Espectrais Aplicações • Medicina: tomografia óptica coerente (OCT) • Controle Coerente (Quântico): manipulação e controle de processos quânticos, a nível atômico-molecular TEARNEY, G. J. et al. In vivo endoscopic optical biopsy with optical coherence tomography. SCIENCE, v. 276, n. 5321, p. 2037-2039, Jun. 1997.

7. Compensação de Dispersão: Pré-compensado Original Pré-compensado Compensação de Dispersão: Original Modelado Correção de fase Modelado Correção de fase Modeladores Ópticos Espectrais Aplicações • Telecomunicações: codificação e controle da dispersão Codificação de Pulsos:

8. Princípio Físico: Configuração Experimental: Configuração Experimental: Princípio Físico: Máscara (LC-SLM): Campo elétrico dos pulsos modelados: Máscara (LC-SLM): Modeladores Espectrais Programáveis Modeladores de Cristal Líquido (LCM)

9. Cristal Modulador: Transdutor PZT L λ la Λ Modeladores Espectrais Programáveis Modeladores Acusto-Ópticos (AOM) Configuração Básica:

10. Modeladores Espectrais Programáveis Modeladores de Espelho Deformável Configuração Básica:

11. Lateral: Frontal: Construção do EPZAR

12. Construção do EPZAR Atuadores Piezoelétricos Piezoeletricidade: Efeito Piezo Efeito Piezo Inverso

13. Aplicações dos PZT’s: Alarmes sonoros Campainhas Alto-falantes Relógios Acendedores de fogão e isqueiro Ultrassom (sonar) Nanoposicionamento: microscopia de força atômica, genética (manipulação de genes), modelagem óptica,... Construção do EPZAR Atuadores Piezoelétricos Materiais: sólidos cristalinos não centro-simétricos (atualmente, baseiam-se em titanato zirconato de chumbo e titanato de bário)

14. Interface LabVIEWTM: Construção do EPZAR Controlador de Tensões Programa desenvolvido por: Ismael A. Heisler Circuito gerador projetado por: Jorge A. Lisbôa

15. (amostras com 300μm de espessura) Construção do EPZAR Espelho Deformável • Planicidade + Flexibilidade • Substrato inteiriço x Substrato com ranhuras Apesar de boa planicidade, pouca flexibilidade (deformação insuficiente)

16. Caracterização do EPZAR Perfilometria Óptica Montagem:

17. Programa (LabVIEWTM): Y (unid.arb.) X (unid.arb.) Programa (LabVIEWTM): Perfilometria Óptica Método de Análise Interferométrica

18. Perfilometria Óptica Resultados ΔΦ = π equivale a Δl = 136nm (λ = 543,5nm)

19. Resultados

20. Teste: Otimização de frente de onda Montagem:

21. Indivíduo Evolução: Seleção Melhores Seleção Melhores Indivíduo 23 23 18 18 20 20 28 28 26 26 Geração Geração Melhor Indivíduo Gene Mutação Mutação Recombinação Recombinação Gene Configuração do espelho: 32 valores de tensão 23 84 84 77 77 88 88 100 Valor de tensão (0-100V) Parâmetro de Aptidão 23 Parâmetro de Aptidão (~ sinal experimental resultante) Teste: Otimização de frente de onda Algoritmo Evolutivo 128 indivíduos 16 indivíduos 30 gerações Desenvolvido e aperfeiçoado por: Ismael A. Heisler e Tiago Buckup (e colaboradores)

22. Teste: Otimização de frente de onda Resultados

23. Teste: Otimização de frente de onda Resultados

24. Conclusão e Perspectivas • Desempenho do EPZAR: razoável • Aparato eletrônicoe caracterização porperfilometria óptica: ótimos resultados • Atuadores, espelho e conexões mecânica (cola) e elétrica (eletrodos): devem ser aperfeiçoados • Causa para os váriosatuadores corrompidos: corrosão acidental de contatos elétricos e danos em pontos frágeis dos eletrodos • Possibilidade decaracterização do espelho in loco e em tempo real: monitoramento durante experimentos • Perspectivas de aplicação: controle coerente e novas técnicas espectroscópicas

25. Fim • Obrigado pela atenção • Perguntas…

26. Modeladores de Espelho Deformável Espelho Deformável Micromaquinado (MMDM) Características: • Construção simples (exceto espelho) • Atuadores eletrostáticos • Modulação unidimensional e continuamente variável • Baixa resolução espacial: 2mm • Média taxa de reprogramação: ~ 1kHz • Amplitude máxima de deflexão: 4μm (ΔΦ = 29,5π para λ= 543nm) Arranjo de 39 atuadores: 7,5mm 26mm

27. Modeladores de Espelho Deformável Modulador Espacial de Luz por Microssistema Eletromecânico (MEMS-SLM) Características: • Construção complexa • Atuadores eletrostáticos • Modulação bidimensional e discretamente variável (efeitos de pixelamento) • Alta resolução espacial: 40μm • Média taxa de reprogramação: ~ 1kHz • Translação máxima: 450nm (ΔΦ = 3,3π para λ= 543nm) 240 x 200 microespelhos: 8mm 9,6mm Dispositivo Imagem ampliada

28. Modeladores de Espelho Deformável Refletor Deformável Piezoatuado (PADRE) Características: • Construção simples • Atuadores piezoelétricos • Modulação unidimensional e continuamente variável • Baixa resolução espacial: 2,5mm • Deflexões máximas: • Individual (300V): 1μm (ΔΦ = 7,4π para λ = 543nm) e largura de 3,8mm (FWHM) • Senoidal (0V e 300V): 0,3μm (ΔΦ = 2,2π)

29. Modeladores de Espelho Deformável Espelho Deformável Piezo-Bimorfo Características: • Modulação unidimensional e continuamente variável • Construção simples • Baixa resolução espacial: 2,5mm • Deflexões máximas: • Global (160V): 16μm (ΔΦ = 118π para λ= 543nm) • Senoidal (±160V): 64nm (ΔΦ=0,5π)