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PROPRIEDADES OPTICAS

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1. A fração de luz não refletida que é transmitida através de uma placa de vidro (100 mm) 
é 0,98. Calcule o coeficiente de absorção deste material. 
 
I’t=I’0*e^(-β*x) 
 
I’t=0,98 
I’0=1 (assumindo que a radiação incidente não é refletida) 
β= coeficiente de absorção [mm-1] 
x = 100mm 
 
Só resolver! 
 
 
2. Materiais isolantes eletricamente podem ser transparentes. Alguns materiais 
semicondutores são transparentes ao passo que outros são opacos. Explique. 
 
Os comportamentos citados estão relacionados com as transições eletrônicas. Os 
materiais isolantes eletricamente geralmente são não metálicos e apresentam um gap 
elevado entre a banda de valência e a de condução, e,se de alta pureza, podem ser 
transparentes. Caso o raio incidente promova polarização parte da radiação pode ser 
absorvida e parte pode ter sua velocidade reduzida, causando refração da radiação 
incidente. 
No caso dos semicondutores, o gap não é tão elevado quanto o dos isolantes, e nem tão 
baixo quanto o dos materiais condutores, e, portanto os dois fenômenos podem ser 
observados, de acordo com o comportamento do gap, das bandas de energia e valência e 
com o comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente. 
 
 
3. Os fenômenos ópticos que ocorrem dentro de materiais sólidos envolvem interações 
entre a 
radiação eletromagnética e os átomos, íons e / ou elétrons.Explique como estas interações 
ocorrem abordando: 
polarização eletrônica, transições eletrônicas, campo elétrico, absorção de luz, refração da 
luz, 
fóton. 
 
A luz é composta por campo elétrico e magnético e ao incidir no material pode interagir 
de algumas maneiras. Pode ocorrer a absorção dos fótons de luz incidida pelos elétrons 
da banda de valência. No caso dos metais, isso ocorre de maneira instantânea, causando 
a reflexão da luz no retorno dos elétrons da banda de condução para a banda de valência, 
pois o gap é muito pequeno. Para valores de gap maiores, pode ocorrer a transição 
eletrônica, ou não. A absorção de uma energia que não é suficiente para promover a 
transição eletrônica ainda pode promover uma absorção da luz, caso ocorra o efeito da 
polarização eletrônica. Este efeito também pode levar a refração da luz, diminuindo sua 
velocidade e elevando o índice de refração do meio graças ao contato da radiação 
incidente com a nuvem eletrônica. 
 
 
4. Explique o princípio de funcionamento do laser baseado em semicondutores (GaAs, por 
exemplo). Abordar: Energia da banda Gap (Eg), recombinação. 
 
Para que os semicondutores possam emitir um feixe de luz monocromática, o 
comprimento de onda associado à energia do espaçamento entre bandas (Eg) deve 
corresponder ao da luz visível. Assim, a aplicação de uma voltagem ao material excita 
elétrons da banda de valência, através do espaçamento entre bandas, para dentro da banda 
de condução, e, como consequência, são criados buracos na banda de valência. 
Subsequentemente, uns poucos desses elétrons excitados e buracos se recombinam 
espontaneamente. Para cada evento de recombinação, é emitido um fóton de luz que 
possui determinado comprimento de onda. Esses fótons irão estimular a recombinação de 
outros pares de elétron excitado-buraco, e, consequentemente a produção de mais fótons 
que possuem o mesmo comprimento de onda será feita, sendo todos esses fótons em fase 
uns com os outros. Dessa forma tem-se como resultado um feixe monocromático e 
coerente. 
 
 
5. Explique o princípio de funcionamento da fibra óptica. Abordar: atenuação, índice de 
refração, diâmetro da fibra, índice de refração do revestimento da fibra, absorção, impureza. 
 
O princípio de funcionamento da fibra óptica é da seguinte maneira: a fibra é composta 
por um núcleo central de vidro (alto índice de refração), por onde ocorre a transmissão 
da luz, e por uma casca envolvente também feita de vidro (com índice de refração deste 
revestimento menor). A transmissão da luz segue, então, o princípio da reflexão total. A 
atenuação ocorre quando o material (estrutura atômica) absorve a luz que está sendo 
refletida. Tal absorção é normalmente associada à presença de impurezas no vidro. 
 
 
6. Defina eletroluminescência. Cite 02 exemplos de materiais com tal propriedade e a 
aplicação. 
 
É a emissão de luz visível por uma junção p-n através da qual uma voltagem oriunda de 
polarização direta é aplicada. 
 
Exemplo:GaAs-InP (LEDs vermelho, laranja e amarelo) e (Ga,In)N (LEDs azul e verde). 
 
7. O comportamento óptico de um material hipotético é apresentado a seguir. Que reposta 
óptica é esperado para este material (transparente, opaco, cor)? 
 
 
O material correspondente à linha preta possui alta transmitância ao longo de todo 
o espectro da luz visível, portanto ele é transparente. 
 Já o material correspondente à linha vermelha possui alta transmitância apenas em 
algumas faixas de comprimento de onda, mostrando que determinados comprimentos de 
onda são absorvidos, portanto, tal material apresenta uma cor. 
 
8. Quais fatores podem afetar a transparência de um material? 
 
Para que o material seja transparente, não pode haver o espalhamento da luz. Neste 
sentido, os fatores que podem afetar a transparência de um material são: interface (fase, 
contorno de grão), porosidade e tamanho de grão. 
 
 
9. È possível haver algum material com índice de refração maior que 1? 
 
Sim, o índice de refração dos materiais é sempre maior que 1, pois ele trata da relação 
entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um meio específico, sendo 
esta sempre menor que a primeira. 
 
 
10. Um diodo poderia apresentar resposta luminosa a um estímulo ( elétrico, térmico, 
luminoso, 
etc). 
 
Sim. Esse é o princípio do funcionamento dos diodos LED e LASER, que têm o efeito de 
produzir luz quando a eletricidade flui através deles (Eletroluminescência). 
11. Defina 
a) Fosforescência -Capacidade de certos materiais em absorver energia e retransmiti-la 
como luz visível. A luz é gerada a partir de fótons que são emitidos a partir da transição 
entre diferentes estados energéticos. A este fenômeno chamamos de luminescência. 
Quando esta luminescência ocorre em períodos de tempo suficientemente longos 
chamamos este fenômeno de fosforescência. 
b) Fluorescência - Quando a re-emissão de luz, descrita acima, ocorre para períodos de 
tempo muito curtos, a luminescência é classificada como fluorescência. 
c) Refração - A parte do raio luminoso que é transmitida através do outro meio, sofre uma 
mudança na direção de propagação. Este fenômeno é a refração, e ocorre devido a 
mudança na velocidade de propagação da onda. 
d) Fotocondutividade - è a propriedade que está presente nos materiais semicondutores 
e depende do número de elétrons existentes na banda de condução e também do número 
de buracos na banda de valência. Ela ocorre quando um elétron é excitado por luz podendo 
passar para a banda de condução e tem sua condutividade elétrica aumentada. 
 
12. O princípio de funcionamento do LASER a base de rubi é comumente apresentado para 
compreensão do fenômeno de geração de LASER. Entretanto a aplicação comercial, como 
no caso das conhecidas lasers points, materiais semicondutores são utilizados para emitir 
LASER. Explique o princípio de geração de LASER por semicondutores. 
Uma característica dos materiais semicondutores utilizados na construção de dispositivos 
que produzam LASER é que o comprimento de onda associado a banda gap de energia Eg 
deve corresponder ao comprimento da luz visível (entre 0,4 e 0,7 lm) ou seja: m=hc/Eg. 
A voltagem aplicada a estes materiais excita elétrons da banda de valência para que estes 
ultrapassem a banda gap e cheguemà banda de condução. Consequentemente os buracos 
eletrônicos são gerados na banda de valência. Na sequência os elétrons excitados e os 
buracos se recombinam espontaneamente. Cada recombinação emite um fóton de luz. 
Cada fóton estimula outras recombinações de elétrons e buracos gerando a produção de 
adicionais fótons de mesmo comprimento de onda de forma que um feixe monocromático 
e coerente é resultante do processo. Uma das extremidades do semicondutor e 
completamente reflexiva e a outra é parcialmente reflexiva para que os feixes sejam 
refletidos repetidamente até que haja a formação de um feixe com energia suficiente para 
escapar pela extremidade parcialmente reflexiva. 
 
13. A condutividade térmica e as propriedades ópticas (quanto a luz visível) de polímeros 
dependem do grau de cristalinidade deste material? Explique como é a dependência destas 
propriedades com a cristalinidade e justifique. 
No caso das propriedades ópticas o que é observado é que as interfaces entre as regiões 
cristalinas e amorfas atuam como áreas de espalhamento da luz visível, tornando o 
material de translúcido (para um certo grau de cristalinidade) e até mesmo totalmente 
opacos no caso de polímeros totalmente cristalinos. 
Assim, os polímeros totalmente amorfos são transparentes à luz visível 
 
14- Materiais semicondutores podem ser utilizados para emitir LASER, como no caso das 
conhecidas lasers points. Explique o princípio de geração de LASER por semicondutores. 
 O laser de semicondutor é constituído por várias camadas de semicondutores contendo 
diferentes composições. A disposição das camadas é escolhida de forma que os elétrons 
excitados e os buracos eletrônicos fiquem confinados na região central do sanduíche de 
semicondutores. À medida que ocorre a recombinação, a energia liberada tem a forma de 
luz coerente chamada laser. 
 
15- Apresente as propriedades ópticas dos metais (transparente, translúcido...) e explique, 
baseado na Teoria de Estrutura de Bandas as propriedades descritas. 
Os metais são opacos e altamente refletivos porque a radiação incidente na freqüência 
próxima à visível é absorvida pelos elétrons das bandas de valência que passam a ocupar os 
estados vazios, decaem e re-emitem a radiação visível que vemos. 
 
 
 
 
16- Qual a diferença entre o fenômeno da luminescência e da geração de LASER? Obs. Esta 
questão não deve ser respondida descrevendo toda a explicação dos dois fenômenos! Você 
deverá apontar apenas a diferença. 
Toda a transição de elétrons até aqui mencionada é espontânea, ou seja, um elétron decai 
de um nível de maior para um de menor energia. Isto ocorre independentemente de qualquer 
evento e aleatoriamente com o tempo. 
No caso dos lasers, entretanto, a luz é gerada por uma transição dos elétrons induzida por 
um estímulo externo. 
 
17- Materiais policristalinos cujo índice de refração é anisotrópico podem ser translúcidos, 
por quê?(OBS: Sua resposta deve estar baseada na relação entre policristalinidade e 
translucidez). 
Podem, pois possuir um índice de refração anisotrópico indica uma passagem de luz de 
maneira não regular, oque define um material translúcido. 
 
 
18- Explique o fenômeno de geração de laser. 
Embora existam diferentes tipos de laser o principio de operação é usualmente explicado 
pelo cristal de rubi. 
O Rubi é iluminado por uma luz produzida por uma lâmpada de xenônio. Antes desta 
exposição, todos os elétrons dos íons de Cr3+ estão em suas posições de menor energia. 
xenônio incidem sobre o cristal, os elétrons dos íons de Cr3+ saltam para posições de maior 
energia. 
O decaimento para os estados originais (menor energia) pode ocorrer, então de duas formas: 
Alguns decaem diretamente para os estados originais, ou decaem para um nível 
intermediário, metaestável, onde permanecem durante 3 ms antes da espontânea emissão. 
Aqueles poucos elétrons que decaíram espontaneamente fornecem estímulo para que ocorra 
uma avalanche e emissões produzidas pelos elétrons situados nos níveis metaestáveis de 
energia. 
 
19-Explique como é a dependência destas propriedades otica com a cristalinidade e 
justifique. 
Resposta: No caso das propriedades ópticas o que é observado é que as interfaces entre 
as regiões cristalinas e amorfas atuam como áreas de espalhamento da luz visível, 
tornando o material de translúcido (para um certo grau de cristalinidade) e até mesmo 
totalmente opacos no caso de polímeros totalmente cristalinos Assim, os polímeros 
totalmente amorfos são transparentes à luz visível. 
 
20-Materiais policristalinos cujo índice de refração é anisotrópico podem ser translúcidos, 
por quê?(OBS: Sua resposta deve estar baseada na relação entre policristalinidade e 
translucidez). 
Podem, pois possuir um índice de refração anisotrópico indica uma passagem de luz de 
maneira não regular, oque define um material translúcido. 
21-Materiais semicondutores podem ser utilizados para emitir LASER, como no caso das 
conhecidas lasers points. Explique o princípio de geração de LASER por semicondutores. 
Resposta: 4-O laser de semicondutor é constituído por várias camadas de 
semicondutores contendo diferentes composições. A disposição das camadas é escolhida 
de forma que os elétrons excitados e os buracos eletrônicos fiquem confinados na região 
central do sanduíche de semicondutores. À medida que ocorre a recombinação, a energia 
liberada tem a forma de luz coerente chamada laser. Uma característica dos materiais 
semicondutores utilizados na construção de dispositivos que produzam LASER é que o 
comprimento de onda associado a banda gap de energia Eg deve corresponder ao 
comprimento da luz visível (entre 0,4 e 0,7 lm)ou seja: m=hc/Eg. A voltagem aplicada a 
estes materiais excita elétrons da banda de valência para que estes ultrapassem a banda 
gap e cheguem à banda de condução. Consequentemente os buracos eletrônicos são 
gerados na banda de valência. Na seqüência os elétrons excitados e os buracos se 
recombinam espontaneamente. Cada recombinação emite um fóton de luz. Cada fóton 
estimula outras recombinações de elétrons e buracos gerando a produção de adicionais 
fótons de mesmo comprimento de onda de forma que um feixe monocromático e coerente 
é resultante do processo. Uma das extremidades do semicondutor e completamente 
reflexiva e a outra é parcialmente reflexiva para que os feixes sejam refletidos 
repetidamente até que haja a formação de um feixe com energia suficiente para escapar 
pela extremidade parcialmente reflexiva. 
 
 
 
 
19- Explique o fenômeno de geração de LASER e a fotocondutividade 
Resposta: A FOTOCONDUTIVIDADE – está presente nos materiais semicondutores e 
depende do número de elétrons existentes na banda de de condução e também dos 
números de buracos na banda de valência. Quando um elétron é excitado por luz ele pode 
passar para a banda de condução e tem sua condutividade elétrica aumentada. 
 
 
20- Defina: 
a) Fosforescência: 
b) Fluorescência 
c) Refração 
d) Fotocondutividade 
Resposta : b)Fosforescência -Capacidade de certos materiais em absorver energia e 
retransmiti-la como luz visível. A luz é gerada a partir de fótons que são emitidos a partir 
da transição entre diferentes estados energéticos. A este fenômeno chamamos de 
luminescência. Quando esta luminescência ocorre em períodos de tempo suficientemente 
longos chamamos este fenômeno de fosforescência. 
c)Fluorescência - Quando a re-emissão de luz, descrita acima, ocorre para períodos de 
tempo muito curtos, a luminescência é classificada como fluorescência. 
d)Refração - A parte do raio luminoso que é transmitida através do outro meio, sofre uma 
mudança na direção de propagação. Este fenômeno é a refração,e ocorre devido a 
mudança na velocidade de propagação da onda. 
e)Fotocondutividade - è a propriedade que está presente nos materiais semicondutores 
e depende do número de elétrons existentes na banda de condução e também do número 
de buracos na banda de valência. Ela ocorre quando um elétron é excitado por luz podendo 
passar para a banda de condução e tem sua condutividade elétrica aumentada. 
 
21- Suponha que você conheça a composição química de um material. Como é possível 
saber se ele é amorfo ou cristalino através da análise de difração de raios-x? Sendo 
cristalino, como é possível caracterizar sua estrutura cristalina? 
1. Resposta: Resp: Quando um feixe de R-X é direcionado para um material cristalino, 
esses raios são difratados pelos planos dos átomos ou íons do cristal. O ângulo de 
difração depende do comprimento de onda dos R-X e das distâncias entre planos 
adjacentes. Assim, quando os feixes são refletidos pelo plano da superfície e seguem 
a Lei de Bragg: n = 2d sen , estes são captados pelo detector e constituem picos 
de r-x, referentes ao plano refletido Onde é o comprimento de onda, d é distância 
interplanar e é o ângulo de incidência do R-X. O valor de n representa um no inteiro 
de ondas que cabem na distância SQT 
Assim, um material cristalino, representado por um padrão repetitivo de células unitárias, 
quando incidido por R-X difratará estes raios obedecendo a lei de Bragg. Os feixes 
difratados são coletados pelos detectores de R-x, do equipamento e há a formação um 
padrão de picos em determinados ângulos. Com este padrão é possível relacionar com fichas 
JCPDS, existentes na literatura para quase todos os materiais conhecidos. A comparação 
com este padrão de literatura leva-nos a identificação do material. 
 
1- Qual a diferença entre o fenômeno da luminescência e da geração de LASER? Obs. 
Esta questão não deve ser respondida descrevendo toda a explicação dos dois 
fenômenos! Você deverá apontar apenas a diferença. 
Resposta : Toda a transição de elétrons até aqui mencionada é espontânea, ou seja, um 
elétron decai de um nível de maior para um de menor energia. Isto ocorre 
independentemente de qualquer evento e aleatoriamente com o tempo. No caso dos 
lasers, entretanto, a luz é gerada por uma transição dos elétrons induzida por um estímulo 
externo.

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