Publicação

An optical metrology system for the measurement of the refractive index of glass

Detalhes bibliográficos
Resumo:	A medição do índice de refracção de amostras de vidro é uma actividade comum e fundamental em muitos domínios de especialidade – pode ser necessário conhecer o valor do índice de refracção de forma a melhor caracterizar o vidro para diferentes aplicações específicas. Por exemplo, o grupo VICARTE solicitou ao grupo de investigação em óptica a medição do índice de refracção de amostras, por eles feitas, de concentradores solares luminescentes. Este tipo de vidros, dopados com um material capaz de absover radiação ultravioleta pode ser aplicado como um concentradores solar – a sua eficiência está no entanto directamente ligada ao valor do índice de refracção. Apesar de ser possível efectuar medições simples com equipamento normalmente existente no laboratório, por exemplo utilizando a simples refracção, geralmente não é o suficiente, e instrumentos dedicados para este tipo de medições, com uma incerteza razoável, normalmente têm uma complexidade mais elevada. Não sendo portanto possível realizar este tipo de medições com os requisitos necessários surgiu a ideia de se tentar construir um sistema para esta finalidade. Algumas das técnicas de medição do índice de refracção, que têm sido aplicadas ao longo de décadas, podem actualmente não ser as mais viáveis ou eficientes – algumas podem não se enquadrar tão bem com equipamento disponível, podem também ser mais complexas do que o pretendido ou até mesmo serem inadequadas (relativamente ao tipo de amostras que conseguem analisar, por exemplo). Esta tese visa portanto explorar os métodos existentes, adaptando e optimizando um para ser utilizado em ambiente de laboratório com a maior precisão possível. Uma vez que a medição do índice de refracção tem vários métodos estabelecidos, o desafio centrou-se na criação de um sistema optimizado capaz de fornecer resultados com uma incerteza igual ou melhor do que 10-2 . As medições por ele efectuadas podem ter outras aplicações úteis no laboratório óptico: a verificação das propriedades de amostras testemunha (amostras de materiais e/ou revestimentos ópticos usados para testar as propriedades ou o desempenho, sem utilizar o componente real) e a determinação das propriedades de componentes ópticos (úteis para determinar um bom substituto quando a informação sobre o original não está disponível). O primeiro passo foi então fazer um estudo do estado da arte e construir modelos teóricos baseados em técnicas com potencial a implementar na medição do índice de refracção de amostras de vidro, opticamente simples e de placas paralelas. Os modelos teóricos serviram também para auxiliar na identificação dos principais parâmetros que contribuiam para o valor da incerteza associada ao valor do índice de refracção medido. A medição do índice de refracção do vidro utiliza conceitos simples em óptica e, como já foi dito, existem vários métodos para o fazer – com base na reflexão ou transmissão da luz das superfícies, entre eles o desvio do feixe de refracção, interferometria, reflectometria e elipsometria. A partir da informação recolhida, ficou claro que o sistema iria ser implementado recorrendo a um de dois métodos que asseguravam uma implementação de reduzida complexidade – através do desvio lateral (do feixe refractado) ou de uma técnica simples de interferometria. Após testar experimentalmente os dois métodos com maior potencial a implementar, de acordo com um conjunto de objectivos previamente estabelecidos, desvio lateral e interferometria, o primeiro foi seleccionado para implementar o sistema. Foi construída uma configuração e todos os parâmetros foram exaustivamente testados sendo que, através da utilização de um balanço de incerteza, a incerteza das medições foi cuidadosamente monitorizada a vários níveis – desde certificados de calibração dos componentes utilizados, passando também por estudos específicos de desempenho e modelos teóricos. Assegurando que o sistema seria capaz de fornecer resultados com a incerteza especificada, foi desenvolvido um programa de software em LabVIEW, capaz de controlar o equipamento e adquirir dados automaticamente – os dados recolhidos são exportados para um Excel personalizado que automaticamente calcula o valor do índice de refracção, sendo também calculado os valores da incerteza e erro associados. Para validar e calibrar as medições feitas pelo sistema, foram utilizadas amostras conhecidas e calibradas, pelo que apenas depois dos resultados obtidos pelo sistema estarem em conformidade com a informação fornecida, validando efectivamente o sistema, o mesmo pôde ser empregue na análise das restantes amostras disponíveis. O sistema é capaz de fornecer resultados com uma incerteza de 10-3 (amostras ópticas de média qualidade) a 10-4 (amostras de calibração, de alta qualidade). A optimização, baseada na análise rigorosa do sistema nas suas várias vertentes e respectivas incertezas associadas, permitiu obter resultados na ordem de 10-4 , uma ordem superior ao que inicialmente se esperava apenas com base no estudo do estado da arte. Algumas melhorias podem ser feitas no futuro, no entanto, o sistema está pronto para ser utilizado em ambiente de laboratório.
Autores principais:	Leite, Inês Meira
Assunto:	Índice de Refracção Deslocamento Lateral Metrologia Óptica Vidro Teses de mestrado - 2020
Ano:	2020
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	A medição do índice de refracção de amostras de vidro é uma actividade comum e fundamental em muitos domínios de especialidade – pode ser necessário conhecer o valor do índice de refracção de forma a melhor caracterizar o vidro para diferentes aplicações específicas. Por exemplo, o grupo VICARTE solicitou ao grupo de investigação em óptica a medição do índice de refracção de amostras, por eles feitas, de concentradores solares luminescentes. Este tipo de vidros, dopados com um material capaz de absover radiação ultravioleta pode ser aplicado como um concentradores solar – a sua eficiência está no entanto directamente ligada ao valor do índice de refracção. Apesar de ser possível efectuar medições simples com equipamento normalmente existente no laboratório, por exemplo utilizando a simples refracção, geralmente não é o suficiente, e instrumentos dedicados para este tipo de medições, com uma incerteza razoável, normalmente têm uma complexidade mais elevada. Não sendo portanto possível realizar este tipo de medições com os requisitos necessários surgiu a ideia de se tentar construir um sistema para esta finalidade. Algumas das técnicas de medição do índice de refracção, que têm sido aplicadas ao longo de décadas, podem actualmente não ser as mais viáveis ou eficientes – algumas podem não se enquadrar tão bem com equipamento disponível, podem também ser mais complexas do que o pretendido ou até mesmo serem inadequadas (relativamente ao tipo de amostras que conseguem analisar, por exemplo). Esta tese visa portanto explorar os métodos existentes, adaptando e optimizando um para ser utilizado em ambiente de laboratório com a maior precisão possível. Uma vez que a medição do índice de refracção tem vários métodos estabelecidos, o desafio centrou-se na criação de um sistema optimizado capaz de fornecer resultados com uma incerteza igual ou melhor do que 10-2 . As medições por ele efectuadas podem ter outras aplicações úteis no laboratório óptico: a verificação das propriedades de amostras testemunha (amostras de materiais e/ou revestimentos ópticos usados para testar as propriedades ou o desempenho, sem utilizar o componente real) e a determinação das propriedades de componentes ópticos (úteis para determinar um bom substituto quando a informação sobre o original não está disponível). O primeiro passo foi então fazer um estudo do estado da arte e construir modelos teóricos baseados em técnicas com potencial a implementar na medição do índice de refracção de amostras de vidro, opticamente simples e de placas paralelas. Os modelos teóricos serviram também para auxiliar na identificação dos principais parâmetros que contribuiam para o valor da incerteza associada ao valor do índice de refracção medido. A medição do índice de refracção do vidro utiliza conceitos simples em óptica e, como já foi dito, existem vários métodos para o fazer – com base na reflexão ou transmissão da luz das superfícies, entre eles o desvio do feixe de refracção, interferometria, reflectometria e elipsometria. A partir da informação recolhida, ficou claro que o sistema iria ser implementado recorrendo a um de dois métodos que asseguravam uma implementação de reduzida complexidade – através do desvio lateral (do feixe refractado) ou de uma técnica simples de interferometria. Após testar experimentalmente os dois métodos com maior potencial a implementar, de acordo com um conjunto de objectivos previamente estabelecidos, desvio lateral e interferometria, o primeiro foi seleccionado para implementar o sistema. Foi construída uma configuração e todos os parâmetros foram exaustivamente testados sendo que, através da utilização de um balanço de incerteza, a incerteza das medições foi cuidadosamente monitorizada a vários níveis – desde certificados de calibração dos componentes utilizados, passando também por estudos específicos de desempenho e modelos teóricos. Assegurando que o sistema seria capaz de fornecer resultados com a incerteza especificada, foi desenvolvido um programa de software em LabVIEW, capaz de controlar o equipamento e adquirir dados automaticamente – os dados recolhidos são exportados para um Excel personalizado que automaticamente calcula o valor do índice de refracção, sendo também calculado os valores da incerteza e erro associados. Para validar e calibrar as medições feitas pelo sistema, foram utilizadas amostras conhecidas e calibradas, pelo que apenas depois dos resultados obtidos pelo sistema estarem em conformidade com a informação fornecida, validando efectivamente o sistema, o mesmo pôde ser empregue na análise das restantes amostras disponíveis. O sistema é capaz de fornecer resultados com uma incerteza de 10-3 (amostras ópticas de média qualidade) a 10-4 (amostras de calibração, de alta qualidade). A optimização, baseada na análise rigorosa do sistema nas suas várias vertentes e respectivas incertezas associadas, permitiu obter resultados na ordem de 10-4 , uma ordem superior ao que inicialmente se esperava apenas com base no estudo do estado da arte. Algumas melhorias podem ser feitas no futuro, no entanto, o sistema está pronto para ser utilizado em ambiente de laboratório.