Sejam, então, E ( E x , E y , E z ) e s ( s x , s y , s z ) , o vetor campo elétrico e o versor na direção de K (ou seja s K / K ), respectivamente. Além disso, será considerado que o meio seja uniaxial, isto é, que xx yy zz . Seguindo o procedimento do Exemplo 4.1, mostra-se que a equação de onda (4.61) conduz ao seguinte sistema homogêneo (ver a equação (4.16)): xx 2 1 s x n 2 sx s y sx sz sx s y 1 sy 2 s y sz zz 2 1 sz 2 n sx sz xx n2 s y sz Ex E 0 y E z (4.62) Resolve-se este problema para uma direção de propagação arbitrária (este aspecto difere do Exemplo 4.1, o qual considerava uma propagação no plano YZ). Para que a solução seja nãotrivial, deve-se impor que o determinante de (4.62) seja identicamente nulo, isto é: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 s x xx2 1 s y xx2 1 s z zz2 s x s y s z s x s y .s z n n n 2 2 2 2 2 2 2 2 2 s x s z 1 s y xx2 s y s z 1 s x xx2 s x s y 1 s z zz2 0 n n n (4.63) Em particular, procura-se fatorar a primeira parcela de (4.63): xx .s y 2 2 2 2 2 2 2 xx xx2 xx4 1 s x xx2 1 s y xx2 1 s y xx2 s x s x .s y s x 2 2 n n n n n n n 2 2 2 2 2 2 1 xx2 s x 1 xx2 s y 1 xx2 s x s y n n n 2 2 2 2 2 1 xx2 1 xx2 s x s y s x s y (4.64) n n 2 Então, substituindo o resultado (4.64) na equação determinantal (4.63), obtém-se 2 zz xx xx 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 s x s y s x s y 1 s z 2 s x s y s z s x s y s z n n n 117 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 s x s z 1 xx2 s x s y s z s y s z 1 xx2 s x s y s z s x s y 1 s z zz2 0 n n n 2 xx xx 2 2 1 2 1 2 s x s y n n 1 s xx xx 2 2 2 2 1 2 1 2 s x s y 1 s z zz2 s z n n n 2 z 2 2 2 2 1 xx2 s x .s z s y .s z 0 n n zz 2 s 2 x sy 2 0 (4.65) Utilizando-se o fato de que s x s y 1 s z em (4.65), obtém-se: 2 2 2 xx xx 2 2 2 1 2 1 2 1 s z 1 s z zz2 s z n n n 1 s 0 2 2 2 1 xx2 s z xx2 1 s z zz2 s z n n n 1 s 0 2 2 2 1 xx2 s z 1 s z s z n zz n 2 2 z 2 z xx n 2 2 2 1 s z zz2 s z n xx xx zz 2 2 zz s z 1 s z 1 2 2 n n 1 n2 1 s 2 z xx 0 0 (4.66) A equação (4.66) informa que o meio admite as soluções a seguir, as quais são estudadas individualmente: a) 1ª Raiz : n= N1 p c 0 n (4.67) correspondente a uma solução estática Substituindo-se N1 em (4.61), verifica-se que esta solução está associada ao seguinte campo: E s E s 1 N1 2 r : E 0 E s s E (4.68) Portanto, E está na direção s solução longitudinal! No momento, este tipo de solução não é de interesse em eletroóptica. b) 2ª Raiz : n= N 2 xx (4.69) modo ordinário (independe de s ). 118 Substituindo-se N 2 no sistema homogêneo (4.62), obtém-se sx 2 s x s y s s x z sx s y sy 2 s y sz s y sz 2 1 s z zz / xx sx sz Ex E 0 y E z (4.70) a partir do qual, extrai-se as componentes em cada uma das direções x, y e z s x ( s x E x s y E y s z E z ) s x s E 0 s y ( s x E x s y E y s z E z ) s y s E 0 s z ( s x E x s y E y s z E z ) 1 zz E z s z s E 1 zz xx xx (4.71) E z 0 Para s arbitrário, têm-se que s x , s y , e s z 0 , e, como xx zz , a partir de (4.71) pode-se concluir que sE 0 Ez 0 (4.72) e portanto, que o modo ordinário não possui componente de campo elétrico ao longo do eixo óptico (eixo Z). c) 3ª Raiz : n= N 3 xx zz 2 1 s z xx zz s z 2 (4.73) modo extraordinário (depende do cosseno diretor sz ) Substituindo-se N 3 no sistema homogêneo (4.62), e isolando-se as componentes em cada direção x, y e z 1 xx 2 N3 E x s x s E 0 1 xx 2 N3 Ey sy 1 zz 2 N3 E z s z s E 0 s E 0 (4.74) 119 A partir das duas primeiras expressões de (4.74), obtém-se: Ex sx sE 1 xx2 N 3 Ey (4.75) sy e, portanto, s y Ex sx E y 0 (4.76) Por outro lado, utiliza-se a expressão (4.5 a), desenvolvida na seção 4.1, H KE 0 K 0 s E (4.77) a partir da qual, chega-se em (expandindo o determinante sˆ E ): H s x E y s y E x x s E s E y s E s E z y z z y z x x z K 0 (4.78) A seguir, extraindo-se as componentes nas direções x, y e z de (4.78), e utilizando-se (4.76) para as componentes na direção z, vêm H x H y H z K 0 K 0 K 0 s y Ez sz E y s z Ex sx Ez s E y s y Ex x (4.79) 0 O resultado (4.79) revela que o modo extraordinário não possui componente de H ao longo do eixo óptico (ou seja, que Hz=0). 4.6 ORTOGONALIDADE DOS VETORES DOS MODOS ORDINÁRIO E EXTRAORDINÁRIO Será demonstrado agora, que os vetores deslocamento elétrico dos modos ordinário e (1) extraordinário, D ( 2) e D , respectivamente, são ortogonais entre si [1]. Como é sabido, 120 D : E 0 r : E . A relação inversa é dada por: E :D (4.80) onde é o tensor impermeabilidade elétrica (absoluta), tal que 1 r 1 (4.81) 0 Neste caso, a equação de onda (4.14) fica como p : D s E s c2 2 pois p2 0 r : : D D 0 0 c2 (4.82) 0 r : I , sendo I a matriz identidade. A fim de prosseguir com a análise, será conveniente adotar um novo sistema de coordenadas auxiliares (, , ), tal que um dos seus eixos esteja na direção de propagação s , conforme ilustrado na Fig.4.16. Portanto, neste sistema tem-se que s 0, 0, 1 . Figura 4.16- Sistema de coordenadas auxiliares (). No sistema (, , ), o tensor não é diagonal, porém, ainda é simétrico: 11 12 13 12 22 23 13 23 33 (4.83) Recorrendo-se à equação de Maxwell K D , na ausência de cargas, e aplicando-se 121 s 0, 0, 1 , obtém-se: KD 0 sD 0 D3 0 (4.84) isto é, no sistema (, , ), tem-se D D1 , D2 , 0 . (4.85) Uma vez estabelecido (4.85), avalia-se o seguinte termo de (4.82) 11 12 13 D1 s E s = 0 0 1 12 22 23 D2 13 23 33 0 11 D1 12 D2 = 0 0 1 12 D1 22 D2 D D 23 2 13 1 0 0 1 0 13 D1 23 D2 0 = 00 1 escalar 0 0 = D D 23 2 13 1 0 0 1 (4.86) Portanto, a equação de onda (4.82) referida ao sistema (, , ) fica como: 0 11 D1 12 D2 p2 D D 0 12 1 22 2 0 c2 D D D D 23 2 23 2 13 1 13 1 D1 D2 0 (4.87) no qual a 3ª linha é sempre satisfeita. Assim, este sistema pode ser reduzido à: 11 12 12 22 D1 0 T D2 D1 p 2 D2 0 c 2 D1 D2 (4.88) T onde T (transversal) é a matriz 22. Se os super-índices (1) e (2) estiverem associados aos modos de propagação no meio anisotrópico (ordinário e extraordinário, respectivamente), (4.88) conduz a (1) T : D ( 2) : D T (1) 2 p 0 c2 ( 2) 2 p 0 c2 (1) D (4.89) ( 2) D 122 A seguir, multiplica-se escalarmente a primeira equação de (4.89) por D ( 2) e a segunda por D (1) , obtendo-se ( 2) D (1) D ( 2) Pode-se mostrar que D 0 (1) T : D ( 2) T : D (1) (1) p [ p ] 2 0 c2 (1) D ( 2) 2 0 c2 (1) p ( 2) D ( 2) T : D = D (1) 2 [ p ] 2 (1) D (1) D (4.90a) ( 2) D (4.90b) ( 2) T : D ( 2) D , e assim, subtraindo-se (4.90a) de (4.90b): (1) D ( 2) D 0 (4.91) a qual evidencia que os vetores D (1) e D ( 2) , referentes aos modos de propagação ordinário e extraordinário no meio anisotrópico, são sempre ortogonais. Outras relações de ortogonalidade, válidas para ambos os modos, ordinário e extraordinário, podem ser deduzidas diretamente das equações de Maxwell (4.5 a-d). Para o modo ordinário, é possível extrair uma informação adicional. Neste caso, Ex , Ey 0 , Ez 0 , então, E Ex , E y , 0. Como Dx D : E D y Dz xx E x 0 xx E y 0 (4.94) zz E z 0 então D xx E x x E y y xx E (4.95) Assim, conclui-se que D // E , no caso do modo ordinário. 123 Em resumo, considerando-se um meio uniaxial, ficam estabelecidas as seguintes relações: a) Para o modo ordinário E z 0 (1) K D 0 (1) K E (1) K H 0 (1) D (1) // E (1) D (1) s (1) 0 H H (1) H (4.92) (1) E s b) Para o modo extraordinário D (1) D ( 2 ) 0 D (1) D ( 2) ( 2) D ( 2 ) sˆ D ( 2 ) // H (1) KD 0 Hz 0 ( 2) ( 2) (1) ( 2 ) (1) ˆ K H 0 H // s D H // D K E ( 2 ) H ( 2) H ( 2) E ( 2 ) 0 D ( 2 ) : E ( 2 ) E ( 2) não paralelo a D ( 2 ) (4.93) Estas relações de ortogonalidades estão mostradas esquematicamente na Fig. 4.17. Figura 4.17- Direções dos vetores E , H e D referentes aos modos normais de propagação. 4.7 ELIPSÓIDE DE ÍNDICES DE REFRAÇÃO Foi discutido no capítulo 3 que, no caso da relação D : E , calcula-se a permissividade 124 permissividade efetiva eff medida na direção do campo elétrico E , como eff D// / E , conforme esquematizado na Fig.4.18. Figura 4.18- Projeção de D na direção de E . Mostrou-se também, que o comprimento do raio vetor r , que liga a origem do sistema de coordenadas e um ponto sobre o lugar geométrico representado por i j . xi . x j 1 , está relacionado com o valor da propriedade associada à quádrica na direção de r , segundo: “propriedade = 1/r2 ”, onde i j xi x j 1 corresponde à quádrica da Fig.4.19. Assim, o raio vetor r // E permite calcular o valor de eff como eff 1 / r 2 . Figura 4.19- Elipsóide representativo de uma quádrica. Neste contexto, investiga-se qual é a propriedade que deve ser utilizada quando se usa a relação inversa: E : D , onde é a impermeabilidade. Neste caso, considera-se que r // D , isto é, a propriedade é medida na direção D , conforme o esquema da Fig.4.20. 125 Figura 4.20- Projeção de E na direção de D . Seguindo o raciocínio da discussão anterior, o raio vetor deve fornecer 1 r (4.96) ef onde ef é a impermeabilidade efetiva, dada em valores absolutos [m/F] . Se a quádrica for normalizada em relação r 0 0 , o raio vetor fornece 1 0 ef 1 0 ( r ) ef 1 r ef 1 r 1ef o r ef n (4.97) ou seja, o raio vetor fornecerá o índice de refração. A seguir, investiga-se um elipsóide similar ao da Fig.4.19, porém, em termos de índice de refração. Para isto, considere-se um meio dielétrico cuja permissividade tem a forma (em relação aos eixos cristalinos) geral (4.1). Partindo-se de (4.81), conclui-se que 0 r 1 r (4.98) onde r é a impermeabilidade relativa. A grandeza r é um tensor de 2ª ordem e, portanto, a representação geométrica de r i j . xi x j 1 (4.99) também é uma quádrica. Com relação aos eixos principais, tem-se r 11 X 2 r 22 Y 2 r 33 Z 2 1 X2 r xx Y2 r yy Z2 r zz 1 (4.100) 126 Ou então, em termos de índices de refração (4.97) X2 Y2 Z2 1 2 2 2 nX nY nZ (4.101) onde nX r xx , nY r yy , nZ r zz (4.102) são os índices de refração nas direções dos eixos principais, conforme mostrados na Fig.4.21. Esta figura corresponde ao lugar geométrico descrito por (4.101), e é denominado de elipsóide de índices de refração. Então, dado um vetor D , o comprimento do raio vetor r // D que intercepta o elipsóide de índices de refração fornece o índice de refração efetivo percebido pelo raio óptico. Figura 4.21 – Elipsóide de Índices de Refração. A seguir, procura-se determinar o índice de refração efetivo percebido pelo raio óptico que se propaga numa dada direção s . Sabe-se que, para um dado s , existem dois modos de propagação no meio anisotrópico, (1) que serão denotados por (1) e (2). Sabe-se também que estes modos são tais que D (1) D s e ( 2) D ( 2) D , s . Ainda, no caso particular de meio uniaxial, onde (1) está associado ao (1) modo ordinário e (2) ao modo extraordinário, ocorre E (1) (1) // D , sendo que D não tem 127 componente ao longo do eixo Z (eixo óptico). Então, inserindo-se estas informações no elipsóide de índices de refração para meios uniaxiais, obtém-se a Fig.4.22. A partir daí, é possível estabelecer um procedimento geral para operar com o elipsóide de índices de refração: Especificar a direção de propagação desejada, s ; Obter a seção transversal do elipsóide sobre um plano normal à direção de propagação s , e que contenha a origem do sistema. Esta seção transversal é uma elipse. (1) ( 2) e D D são paralelos aos eixos da elipse, enquanto n (1) e n ( 2) , os comprimentos dos semi-eixos, constituem os índices de refração dos modos. (1) Figura 4.22- Direções dos vetores D ( 2) e D em um meio uniaxial. _____________________________________________________________________________ Exemplo 4.5. Considere-se o caso da propagação de laser num cristal uniaxial, segundo o plano YZ. Determinar os índices de refração associados aos raios ordinário e extraordinário. Solução: Na Fig.4.23, isolou-se o plano YZ, sobre o qual encontra-se o vetor s . Como se observa, para o modo ordinário sempre ocorre r = n(1) = no. O elipsóide de índices de refração neste plano é dado por: Y2 n0 2 Z2 ne 2 1 128 onde Y r cos r 2 cos 2 r 2 sen 2 2 2 Z r sen n0 ne 1 sendo que o módulo do raio vetor corresponde ao valor do índice de refração. (a) (b) Figura 4.23- Propagação da onda EM no plano YZ. Para o modo extraordinário r n ( 2) e, portanto, ne 2 cos 2 n0 2 sen 2 1 2 2 n n 0 e n ( 2) 2 n ( 2) 2 n02 ne2 ne cos 2 n0 sen 2 2 2 conforme já havia sido determinada em seções anteriores. Exemplo 4.6. Analisar o caso da incidência oblíqua, de um raio propagando do interior de em um meio uniaxial positivo, para o ar, com vetor de onda sobre o plano XY. Solução: Na Fig.4.24 ilustra o caso da propagação sobre o plano XY de um meio uniaxial positivo, onde ne n0 . Considere-se, então, a designação (1) para o modo ordinário, e (2) para o extraordinário: Modo ordinário n(1) n0 D1 zˆ Modo extraordinário n( 2) ne D 2 // zˆ 129 Figura 4.24- Propagação no plano XY em um meio uniaxial positivo. Portanto, independentemente da direção de s sobre o plano XY, os índices de refração dos modos ordinário e extraordinário valem n0 e ne, respectivamente. Como K 2 0 n K (1) 2 0 n0 , K ( 2) 2 0 ne K (1) K ( 2) . Na Fig.4.25 foram desenhadas as superfícies normais correspondentes ao plano XY. Foi suposto que o raio óptico incidente contém ambas as componentes de modos, ordinário e extraordinário. (a) (b) (c) Figura 4.25- Propagação da luz, do cristal uniaxial positivo para o ar. Na Fig. 4.25 a), correspondente ao menor ângulo de incidência, os raios transmitidos são 130 separados angularmente e possuem polarizações diferentes. Em b), aumenta-se o ângulo de incidência, e ocorre transmissão somente do raio ordinário. Em c), o ângulo de incidência é tão grande, que ocorre somente reflexão interna total. Exemplo 4.7. Analisar o caso da incidência oblíqua de um raio propagando do interior de em um meio uniaxial negativo, para o ar, com vetor de onda sobre o plano XY. Solução: Para um meio uniaxial negativo, onde ne n0 , os dois círculos no plano XY da Fig.4.25, trocam de posição entre si. Na Fig.4.26, é mostrado o elipsóide de índices do cristal uniaxial negativo Figura 4.26- Propagação no plano XY de um meio uniaxial negativo. A partir do elipsóide pode-se obter as seguintes informações: Modo ordinário n(1) n0 D1 zˆ , K (1) maior Modo extraordinário n( 2) ne D 2 // zˆ , K ( 2) menor Na Fig.4.27, ilustra-se o caso de incidência num ângulo em que somente o modo extraordinário é transmitido. O modo ordinário sofre apenas reflexão total. Figura 4.27- Propagação da luz, do cristal uniaxial negativo para o ar. 131 Baseando-se no resultado do Exemplo 4.7, pode-se implementar o polarizador de GlanFoucault mostrado na Fig.4.28, constituído por dois prismas de calcita e que remove um dos modos de polarização de um feixe incidente. Figura 4.28- Prisma Glan-Foucault de calcita (CaCO3). Exemplo 4.8 – Lâmina (ou placa) de /4 (/4 wave plate) Conforme informa as Figs. 4.25 e 4.27, para uma incidência ortogonal à interface entre meios não há mudança de direção no raio transmitido. Na Fig.4.29 um raio de luz com polarização linear incide perpendicularmente à face XZ de um cristal uniaxial, com campo elétrico formando um ângulo de 45o com o eixo óptico (Z). Verificar a polarização do feixe de saída quando a lâmina cristalina com espessura Y, tal que (ne no ) Y / 4 . Z (ne) Y EZ 45o E EX (no) X (b) (a) Figura 4.29 – Lâmina de onda. a) Excitação com campo a 450 do eixo Z. b) Conversão de polarização, de linear para circular. Solução: O raio incidente excita as componentes Ez e Ex com amplitudes iguais ( E 0 ) no cristal. Contudo, Ez percebe um índice de refração ne, enquanto, Ex, percebe no. Assim, a velocidade de 132 propagação de Ez será diferente de Ex, o que causará mudança na polarização do vetor resultante. Se o campo elétrico em Y=0 for E E0 (Zˆ Xˆ ) , então, o campo após uma certa distância Y no interior do cristal, será E E0 (e jKZ Y Zˆ e jK X Y Xˆ ) a qual pode ser rescrita como E ( E0 e jK X Y )(e j ( K Z K X ) Y Zˆ Xˆ ) Se a lâmina possuir uma espessura Y, tal que ( K Z K X ).Y / 2 rad, então, a equação acima torna-se E ( E0 e jK X Y )( jZˆ Xˆ ) O fator E0 e jK X Y é comum as duas polarizações, e assim, as componentes X e Z do feixe de saída têm mesma amplitude e estão defasadas por 900. Portanto, o feixe de saída exibe polarização circular. Uma lâmina assim constituída é denominada de lâmina de quarto de onda (/4), sendo muito útil em várias aplicações práticas [1], [4]. _____________________________________________________________________________ 4.8 APLICAÇÃO: SISTEMA ÓPTICO DO CD PLAYER No exemplo anterior, demonstrou-se que a lâmina de /4 converte uma polarização linear incidente, numa polarização circular emergente. Por outro lado, pode-se demonstrar que, se o feixe de saída (circularmente polarizado) retornar para a lâmina, ocorre conversão para um estado de polarização linear, porém, ortogonal ao feixe incidente original, conforme esquematizado na Fig.4.30 [1]. Figura 4.30 – Cancelamento da componente refletida. 133 Um exemplo de aplicação prática do prisma Glan-Foulcault e da lâmina de /4, refere-se ao sistema de leitura óptica do compact disk player (CD), como mostrado na Fig.4.31. O feixe de luz gerado pelo diodo laser atravessa a lente de colimação, a grade óptica, o prisma polarizador, a lâmina /4 e incide na superfície do CD. Dependendo do estado do pit (ranhuras na superfície do disco), o feixe refletido sofre modulação de amplitude. O fato, entretanto, é que o feixe refletido não deve retornar ao diodo laser, e sim, seguir em direção a um fotodiodo para detecção. No detalhe mostrado na Fig.4.32, explica-se como isto pode ser possível. Figura 4.31 – Esquema de leitura óptica do CD. Figura 4.32 – Detalhes dos percursos dos feixes incidente e refletido na superfície do CD. Como foi estudado, no prisma Glan-Foucault ocorre reflexão interna apenas do raio ordinário, enquanto o raio extraordinário consegue atravessá-lo e atingir sua saída. A seguir, este 134 raio, polarizado linearmente, atravessa uma lâmina de /4 e emerge com polarização circular. Este feixe, então, realiza a leitura do CD, e retorna ao prisma, antes atravessando de volta a lâmina de /4. Sua polarização retorna a ser linear, porém, vibrando na direção do raio ordinário. Como este raio sofre reflexão no prisma, seu trajeto é redirecionado para o fotodiodo [5]. 4.9 REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS [1] Yariv, A. & Yeh, P., Optical Waves in Crystals, New York, John Wiley & Sons, 1984. [2] Krauss. J.D. & Fleisch, D. A., Electromagnetics with Applications, fifth edition, McGrawHill, 1999. [3] Born, M. & Wolf, E., Principles of Optics – Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, New York, Pergamon Press, 1975. [4] Hecht, E. & Zajac, A., Optics, New York, Addison-Wesley Publishing Company, 1974. [5] Lane, P.M., Van Dommelen, R., Cada, M., Compact Disc Players in the Laboratory: Experiments in Optical Storage, Error Correction, and Optical Fiber Communication, IEEE Transactions on Education, vol. 44 (1), pp. 47-60, Feb. 2001. 135