medir com luz - ipq.pt · • espectrofotometria: é uma das ferramentas mais eficazes de análise,...
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Resumo
• Dia Mundial da Metrologia - Convenção do Metro
• Conceitos Metrológicos da Luz
• Luz na Metrologia
No IPQ
Na Sociedade
• Perspetivas de I&D
Isabel Godinho| DMET 2015-05-20
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Dia Mundial da Metrologia
AG Nações Unidas, a UNESCO e outros organismos científicos
anunciaram 2015 como o
Ano Internacional da Luz e das Tecnologias baseadas na Luz
O dia 20 de maio é consagrado pela comunidade metrológica
internacional como o Dia Mundial da Metrologia
As Medições e a Luz celebrando a assinatura da Convenção do Metro em Paris
Reconhecimento do papel essencial e transversal da Luz e das Tecnologias baseadas na
Luz, na vida quotidiana, na ciência, na tecnologia e na cultura
Convenção do Metro
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1875 - Portugal assinou a Convenção do Metro grupo de 17 países signatários
2ª CGPM - 1895
H. de Macedo – Delegado Português
• Estabelece o quadro para a colaboração global na ciência da medição e suas aplicações aos setores da industria, do comércio e social
• Objetivo - Uniformidade Mundial de Medição continua tão importante hoje como era em 1875
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A adoção de um Sistema de Unidades de medida
Sistema Internacional de Unidades (SI) - 1960
A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório
Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para
desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de
medida apropriados às respetivas necessidades nacionais
Convenção do Metro
Decreto-Lei n.º 128/2010, de 3 de dezembro
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Convenção do Metro
A adoção de um Sistema de Unidades de medida
Sistema Internacional de Unidades (SI) - 1960
Esse sistema compreende:
A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório
Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para
desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de
medida apropriados às respetivas necessidades nacionais
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Sistema Internacional de Unidades - SI
Redefinição do SI - prevista para 2018
• Unidades de base do SI definidas através de constantes físicas e
atómicas, realizadas através de efeitos quânticos
• Metrologia baseia-se em padrões universais e imutáveis
independentes do tempo e do espaço
quilograma - constante de Planck h
kelvin - constante de Boltzmann k
ampere - carga elementar e
mole - constante de Avogadro NA
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A existência de uma infra-estrutura denominada Laboratório
Nacional de Metrologia (LNM) em cada país, para
desenvolver, manter e disseminar os padrões nacionais de
medida apropriados às respetivas necessidades nacionais
Convenção do Metro
A adoção de um Sistema de Unidades de medida
Sistema Internacional de Unidades (SI) - 1960
Esse sistema compreende:
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Departamento de Metrologia • Metrologia Científica
• Metrologia Aplicada
• Metrologia Legal
• Museu de Metrologia
• 3,5 M€ de Receitas Correntes
• 727 Entidades Qualificadas para o Controlo Metrológico Legal
• 300 Clientes de Metrologia Aplicada
• 21 Aprovações de Modelo
• 39 Diplomas Regulamentares em Vigor
• Museu: espólio 3 000 peças e documentos;
• 1964 Visitantes Museu (ensino básico)
• 52 Domínios laboratoriais
• 31 Técnicos (85 % com grau universitário)
• 2 200 m2 Laboratoriais
• 1 394 Calibrações
• 160 Preparações e Certificações de Materiais de Referência
• 1050 Verificações de Controlo Metrológico
• 183 Capacidades de Medição e Calibração 21 Matrizes
• 150 Comparações Interlaboratorias Internacionais e 102 Nacionais
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Conceitos Metrológicos da Luz
• A luz tem um lugar central na vida e na cultura humana,
desde a utilização do fogo pelos povos primitivos, sendo
a pintura e a escultura uma das manifestações mais
comuns
• Todas as artes mais recentes historicamente que a
pintura e a escultura - cinema, fotografia, banda
desenhada…, são dependentes da luz e da visão
• Astronomia e os instrumentos a ela associados que permitiram
determinar a posição das estrelas
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Conceitos Metrológicos da Luz
• Durante muito tempo, o estudo da luz vindo das estrelas foi a única fonte de informação sobre o movimento e a constituição dos astros
• Foi também a partir dessas primeiras observações que se deduziram as primeiras medições do tempo, dando posteriormente origem aos calendários
• A invenção do microscópio (Hans Janssen – 1590) e do telescópio (Galileu Galilei - 1609), marcaram a revolução científica do século XVI e XVII, impulsionando o desenvolvimento da biologia e das ciências da Terra
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Conceitos Metrológicos da Luz
• A evolução do conhecimento sobre a
formação das imagens potenciou a
teoria da ótica de Fourier, que está
na origem da holografia e dos discos
digitais
• No início do século XX, o estudo das
propriedades da luz esteve na base da
invenção e do desenvolvimento e da teoria
da relatividade e da mecânica quântica
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• A noção de quantum de energia permitiu explicar a distribuição
espectral da luz emitida por um corpo incandescente base das
conceções atuais da estrutura e das propriedades da matéria
Conceitos Metrológicos da Luz
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Conceitos Metrológicos da Luz
Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation
• Os progressos neste último domínio levaram à invenção do laser
(Gordon Gould- 1957) e ao estudo das propriedades não-lineares
da interação luz-matéria
Para concentrar o ganho
3 % para He-Ne
+ _
Ne
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Conceitos Metrológicos da Luz
• A ótica integrada tem seguido os passos da
eletrónica, tornando possível o transporte por fibra
ótica, de grandes quantidades de informação, com
perdas residuais de energia em percursos da ordem
de vários milhares de km
O sinal é transformado em luz, através de conversores integrados nos transmissores:
• Laser - fibras monomodo telecomunicações > 1 km
• LED - fibras multimodo diâmetro superior, telecomunicações curta distância
ou para transmitir uma quantidade elevada de potência
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Conceitos Metrológicos da Luz
É possível considerar três modelos para descrever os domínios da metrologia da luz :
Modelo da ótica geométrica – feixe de luz • A luz movimenta-se em linha reta, dando origem aos raios luminosos
• Os raios luminosos constituem um instrumento ideal para definir alinhamentos, referenciar posições e medir ângulos
• São materializados por um feixe laser, que pode percorrer distâncias da ordem da dezena até à centena de metros
• Aplicações da ótica geométrica:
medição do índice de refração
Refratometria: utilizada, por exemplo,
na determinação da concentração de açúcar
na indústria vitivinícola
• As radiações visíveis - consideradas nos fenómenos da ótica permitem interpretar e efetuar medições interferométricas de elevada exatidão
Frequência: 395 THz a 790 THz
Comprimento de onda : 380 nm a 760 nm
Energia: 1,7 eV a 3 eV
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Conceitos Metrológicos da Luz
Modelo da ótica ondulatória Ótica física ou Ótica quântica
• A luz é uma radiação eletromagnética caracterizada por
uma variação periódica de um “vetor luminoso”
perpendicular à direção de propagação , definida pela
frequência n , energia E, ou comprimento de onda l
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Conceitos Metrológicos da Luz
As aplicações da velocidade da luz obedecem às leis da ótica geométrica mas
também ao modelo ondulatório:
• LIDAR (Light Detection And Ranging): tecnologia ótica de
deteção remota que mede propriedades da luz refletida de modo
a obter a distância e informação de objetos medição de
distâncias em geodesia, em estudos atmosféricos, telemetria ou
identificação de alvos no setor militar
• Formação de imagens
• RADAR (Radio Detection And Ranging):
deteção objetos a longas distâncias
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Conceitos Metrológicos da Luz
• A interferometria é uma das técnicas mais exatas determinação de uma fração
do comprimento de onda associado à radiação emitida pelo laser nm Espelho Referência
Espelho Medição
2 feixes interferem com uma amplitude que depende da fase
Interferómetro Michelson
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Espelho
Referência
Espelho Medição
Conceitos Metrológicos da Luz
Alvo Estático: Medição Distância através medição FASE
Alvo Movimento: Contagem FRANJAS
d = (ff / f) (l / 8)
l
22d
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Conceitos Metrológicos da Luz • O caráter vetorial das ondas introduz métodos baseados sobre os estados de
polarização da luz que influenciam o seu comportamento quando em interação
com a matéria, dando origem à polarimetria (a ciência da medição da polarização
da luz) e à elipsometria (polarimetria das superfícies)
• A ação sobre a luz polarizada pode ser intrínseca ao material ou induzida, dando
origem à fotoelasticimetria (técnica para medir deformações)
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Conceitos Metrológicos da Luz
O terceiro modelo considera as medições das grandezas derivadas da energia associada à luz, quer através da visão, ou de recetores físicos
• Fotometria: está associada à iluminação • Espectrofotometria: é uma das ferramentas mais eficazes de análise, utilizada na
astronomia, na ciência dos materiais e na biologia • Pirometria: medição de temperatura sem contacto • Colorimetria - medição das cores: aplicações nos setores das tintas e corantes,
alimentar, saúde e artes • Optoelectrónica: associada à informática - tem criado novas perspetivas para
comunicações mais fiáveis e com melhor desempenho
Medição da luz • iluminância Unidade SI: lux • fluxo luminoso Unidade SI: lúmen • intensidade luminosa Unidade SI: candela
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A implementação de fontes e de detetores monofotónicos tem
possibilitado o desenvolvimento de uma nova tecnologia quântica,
baseada em tecnologias de ótica quântica
Conceitos Metrológicos da Luz
Max Planck (1899): refere que luz podia ser quantificada - modelou a radiação do corpo negro, assumindo que a troca de energia entre a luz e a matéria ocorria em quantidades discretas quanta
Criptografia Quântica - Teletransporte Quântico - Computação Quântica
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Realização da definição do metro
comprimento de onda no vazio l, de uma onda plana eletromagnética de frequência
f , obtido a partir da medição de f utilizando a relação l = c0 / f
metro (m) - Unidade de Base do Sistema Internacional da Grandeza Comprimento
O comprimento do trajeto percorrido pela luz, no vazio, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458
do segundo. (17ª CGPM, 1983)
Luz na Metrologia - IPQ
• Incerteza relativa de calibração 10-11
• Uma só frequência padrão (473 THz)
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Prémio Nobel da Física em 2005 Roy Glauber - descrição teórica da física quântica aplicada à ótica
John Hall Theodor Hänsch - pesquisa e desenvolvimento na área de espectroscopia laser com a técnica de geração de pentes de frequências de femtosegundo e sintetização de frequências óticas
Evolução das técnicas de medição e consequentemente a evolução da realização
prática da definição do metro
• Sintetizador de Frequências Óticas (SFO), permite a geração de qualquer frequência do
espectro ótico (em vez de apenas uma, como a emitida por laser He-Ne), com uma incerteza
relativa próxima da do oscilador de césio (10-15)
• O SFO relaciona uma frequência ótica com uma frequência de 10 MHz, emitida pelo
oscilador de césio
Luz na Metrologia - IPQ
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Sintetizador Frequências Óticas Laser Femtosegundo (Gerador de Impulsos) Ti:Safira, capacidade de emitir um feixe laser pulsado com
l de 800 nm, com impulsos inferiores a 12 fs separados por uma frequência de repetição,
+ Interferómetro não linear + Fibra ótica não linear microestruturada
frep f0 fbeat
Laser
externo
flaser= n fr fo fbeat
r
cn
fl
n - número de modos acoplados, que para uma determinada frequência de repetição, contribuem para o batimento
Luz na Metrologia - IPQ
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Luz na Metrologia - IPQ
Laser IPQ2 Laser IPQ3
Relógios atómicos 10 MHz Incerteza 10-13
Sintetizador de Frequências Óticas
Realização prática do metro
• Blocos-padrão • Interferómetros
• Máquinas de medição de coordenadas
• Paquímetros
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Comparação de Lasers
Frequência de batimento fbeat= fLR-fL
• Consiste em medir a frequência de batimento produzida pela sobreposição dos dois feixes sintonizando em duas frequências distintas, da risca do espectro de absorção da célula de 127I2, e medindo a frequência de batimento.
• Conhecendo a frequência de um dos lasers e medindo a frequência de batimento obtém-
se a frequência do outro laser
Luz na Metrologia - IPQ
Luz na Metrologia - IPQ
Laboratório de Fotometria do Instituto
Português da Qualidade é responsável pela
manutenção do padrão nacional da candela e
de grandezas derivadas, assegurando a
disseminação e a rastreabilidade metrológica
dos resultados de medição ao SI Banco fotométrico (3,5 m) do Laboratório de Fotometria do IPQ
candela (cd) - Unidade de Base do Sistema Internacional da Grandeza Intensidade Luminosa
A intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de
frequência 540 1012 Hz e cuja intensidade energética nessa direção é 1/683 watt por esterradiano
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Padrões nacionais do metro e do segundo + padrões internacionais
Lâmpadas, fotómetros, luxímetros Espectrofotómetros, filtros,
• Fotometria e Radiometria realização do padrão nacional da candela e calibração de
instrumentos de medição fotométricos e radiométricos (lâmpadas-padrão e fotómetros)
• Refratometria padrões nacionais de índice de Refração (Calibração refratómetros para fase
líquida, Certificação de soluções padrão)
• Radiofrequêcia Ensaios de Controlo Metrológico de cinemómetros de fiscalização de limites
de velocidade rodoviária
Luz na Metrologia - IPQ
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Laboratório de Fotometria
Luz na Metrologia - IPQ
CMC na KCDB do BIPM (desde 2015-01-13)
• Calibração de Lâmpadas em Intensidade Luminosa, entre 50 cd e 1000 cd
• Calibração de Fotómetros
• Calibração de Luxímetros em iluminância, entre 5 lx e 1000 lx
Urel = 1,6 %
EURAMET PR-K3a Luminous Intensity
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Luz na Metrologia - IPQ
aceleração (a) Unidade derivada do Sistema Internacional - m · s-2
A rastreabilidade nacional assegurada pela implementação de um sistema
experimental de calibração absoluta de acelerómetros, por interferometria laser
com deteção homodina
• excitação sinusoidal e interferómetro de Michelson permitindo determinar o
valor de aceleração em função do número de máximos ou mínimos de
intensidade do sinal ótico
• Intervalo de medição: 40 Hz - 800 Hz
• Valores de incerteza expandida < 1 %
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Luz na Metrologia - IPQ
l
22d
Franjas espaciais - alternância sinusoidal de máximos e mínimos de intensidade.
d = (ff / f ) (l / 8)
a = (2 f)2 d
Luz na Metrologia - Sociedade
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Medicina - A utilização do laser em cirurgia de
elevada precisão, oftalmologia, estética, e aplicações
médicas de tratamentos e diagnóstico
Aplicações LASER
Militar e Defesa • Laser e dispositivos de elevada potência utilizados
para afetar, por ação direta, os alvos e levar à sua destruição • Marcação de alvos • Sistemas de defesa contra mísseis, foguetes e morteiros
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Segurança - Imagens holográficas de
identificação e segurança
Cultura - leitura de DVD e CD por laser
revolucionou a produção, banalizando o
consumo na sociedade moderna
Luz na Metrologia - Sociedade
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Códigos de Barras • Tecnologia de leitura de códigos de barras
generalizados a variados tipos de identificações
Telecomunicações • Lasers ultravioleta para fabricar
microestruturas eletrónicas - chips de computador
• Lasers de díodo de pequenas dimensões - telecomunicações de banda larga através de fibras óticas
Luz na Metrologia - Sociedade
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• Iluminação otimizada das cidades através de iluminação de estado sólido - LED
• Produção de energias limpas Tecnologias Fotovoltaicas Solares
• Estudo das alterações climáticas medição direta da energia solar a partir de satélites, apoiando a compreensão da contribuição da irradiância solar na alteração do clima
Perspetivas de I&D
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Perspetivas de I&D
Dispositivos emissores de luz - LED
• Em 2004, mais de 10 % da energia elétrica produzida era utilizada para a iluminação, maioritariamente
com lâmpadas de incandescência
eficiência energética 5 %
emitem 27 % de radiação na região espectral
do visível
• Em 2012 (indicação da Comissão Europeia), as lâmpadas por incandescência passaram a ser
substituídas por lâmpadas fluorescentes (Hg) e
lâmpadas de halogénio, de maior eficiência
energética
• Dispositivos emissores de luz (LED) - lâmpadas de estado sólido (SSL) dobro da eficiência energética das lâmpadas fluorescentes
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Perspetivas de I&D
• ENG05 Lighting - Metrology for Solid State Lighting (IPQ) Contribuiu para a implementação em grande escala e aplicação de SSL e para poupança de energia através do desenvolvimento, validação e divulgação de metrologia adequada para a caracterização inequívoca de produtos de iluminação de estado sólido
• ENG62 MESaIL - Metrology for efficient and safe innovative Lighting
Estudo e desenvolvimento da metrologia de OLED / matrizes OLED e SSL pulsada e satisfazer as necessidades metrológicas para sistemas LED nano-estruturados e flexíveis.
OLED (organic light-emitting diode) em que a camada de emissão eletroluminescente é um filme orgânico que emite luz em resposta a uma corrente elétrica. Esta camada de semicondutor orgânico fica situado entre dois elétrodos (1 transparente) - usados em écrans digitais
EURAMET - EMRP
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• SIB58 Angles - Angle metrology
EURAMET - EMRP
Realização prática da mensuranda radiano e a disseminação da unidade: desenvolvimento da metrologia angular (autocolimadores, refletores), sistemas de posicionamento angular para disseminação da unidade de ângulo
plano - radiano, através do método da divisão do círculo - incertezas de calibração < 0,01
• SIB60 Surveying - Metrology for long distance surveying
Perspetivas de I&D
Melhorar a rastreabilidade e reduzir a incerteza da medição de longas distâncias
( 600 m) melhorar a base metrológica associada à Topografia,
Geodesia e Ciências da Terra
Laser Femtosegundo – Metrologia de Longas Distâncias: Incerteza 10-7 para distâncias de 50 m
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Perspetivas de I&D
EURAMET - EMRP
• SIB02 Comparing clocks across Europe
Utilização de fibra ótica (em vez de satélites):
Desenvolvimento de métodos para comparar remotamente relógios óticos, separados por distâncias de até 1500 km
Objetivo: • reduzir a contribuição da ligação por fibra ótica para a incerteza da
calibração de frequência • contribuir para a redefinição do segundo e a disseminação do tempo
atómico através de fibra ótica, contribuindo para backups de sincronismo GPS em redes de energia e redes móveis de telecomunicações
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Perspetivas de I&D
EMRP Call 2013 - Energy & Environment