Neste trabalho propomos o estudo da Espectrometria de Lente Térmica, sua teoria e aplicações, visto ser uma técnica de alta sensibilidade e que permite a medida das propriedades termo-ópticas dos materiais, como a difusividade térmica (D), a condutividade térmica (k), desvio do caminho óptico pela temperatura (ds/dT) - para materiais sólidos - ou a variação do índice de refração em relação à temperatura (dn/dT) - para líquidos e gases. Para isso inicialmente fizemos um estudo da teoria da difração. Valendo-se da Integral de Difração de Fresnel Kirchhoff obtivemos a expressão analítica da intensidade de um feixe de laser, difratado por diversos elementos ópticos (aberturas e obstáculos circular e retangular, por exemplo), tanto para o regime da difração de Fresnel, quanto da difração de Fraunhofer. Ainda no estudo da difração propusemos um arranjo experimental muito simples, utilizando-se um laser pointer sem a lente colimadora, permitindo que se obtenha, com grande facilidade, os padrões de difração no campo próximo, o que é difícil nas montagens tradicionais. Na seqüência fizemos uma revisão dos modelos de Lente Térmica tradicionalmente utilizados, modelos parabólico e aberrante. E, na comparação que realizamos entre eles, verificamos que pelos resultados obtidos através de simulações, com o modelo parabólico se apresenta em grande desacordo (>50%) com os obtidos com o modelo aberrante. Desta forma, concluímos que os dados da literatura obtidos na década de 70 e que ainda são utilizados, merecem ser revistos. Por fim, notamos na literatura um crescente interesse em lasers de alta potência, principalmente pelos bombeados por lasers de diodo. Desta forma fizemos um estudo valendo-se do modelo aberrante de Lente Térmica sob o regime de q grande, no qual procuramos verificar o limite de validade dos modelos de L.T. utilizados, observando o surgimento de fenômeno da aberração esférica, juntamente com as estruturas de anéis. / In this work we have proposed the study of Thermal Lens Spectrometry, its theory and applications, because it is a highly sensitive technique that allows the measure of the thermo-optical properties of the materials, as the thermal diffusivity (D), the thermal conductivity (k), the change of optical path length with temperature (ds/dT), for solid materials or the change of refractive index with temperature (dn/dT), for liquids and gases. Initially we studied the diffraction theory. We utilized the Fresnel Kirchhoff Diffraction Integral to obtain the analytic expression of the beam laser intensity, whose was diffracted for several optical elements, so much for the regime of the Fresnel diffraction as the regime of the Fraunhofer diffraction. Continuing in the study of the diffraction we proposed a very simple experimental apparatus where we used a laser pointer without the collimator lens, allowing that it was obtained with great facility the Fresnel diffraction patterns, which are difficult to observe in the common experimental apparatus. In the sequence, we made a revision of the models of Thermal Lens traditionally used, parabolic and aberrant models. And, in the comparison that we accomplished among them, we verified that for the results obtained through simulations, with the parabolic model it comes in great disagreement (>50%) with obtained them with the aberrant model. This way, we concluded that literature’s data obtained in the 70ths and they are still used, they must be reviewed. Finally, we noticed in the literature a growing interest in high power lasers. This way we made a study where we used the aberrant model of Thermal Lens under the regime of great q, in which we look for to verify the limit of validity of the used models, observing the appearance of the spherical aberration together with the rings structure.

Neste trabalho propomos o estudo da Espectrometria de Lente Térmica, sua teoria e aplicações, visto ser uma técnica de alta sensibilidade e que permite a medida das propriedades termo-ópticas dos materiais, como a difusividade térmica (D), a condutividade térmica (k), desvio do caminho óptico pela temperatura (ds/dT) - para materiais sólidos - ou a variação do índice de refração em relação à temperatura (dn/dT) - para líquidos e gases. Para isso inicialmente fizemos um estudo da teoria da difração. Valendo-se da Integral de Difração de Fresnel Kirchhoff obtivemos a expressão analítica da intensidade de um feixe de laser, difratado por diversos elementos ópticos (aberturas e obstáculos circular e retangular, por exemplo), tanto para o regime da difração de Fresnel, quanto da difração de Fraunhofer. Ainda no estudo da difração propusemos um arranjo experimental muito simples, utilizando-se um laser pointer sem a lente colimadora, permitindo que se obtenha, com grande facilidade, os padrões de difração no campo próximo, o que é difícil nas montagens tradicionais. Na seqüência fizemos uma revisão dos modelos de Lente Térmica tradicionalmente utilizados, modelos parabólico e aberrante. E, na comparação que realizamos entre eles, verificamos que pelos resultados obtidos através de simulações, com o modelo parabólico se apresenta em grande desacordo (>50%) com os obtidos com o modelo aberrante. Desta forma, concluímos que os dados da literatura obtidos na década de 70 e que ainda são utilizados, merecem ser revistos. Por fim, notamos na literatura um crescente interesse em lasers de alta potência, principalmente pelos bombeados por lasers de diodo. Desta forma fizemos um estudo valendo-se do modelo aberrante de Lente Térmica sob o regime de q grande, no qual procuramos verificar o limite de validade dos modelos de L.T. utilizados, observando o surgimento de fenômeno da aberração esférica, juntamente com as estruturas de anéis. / In this work we have proposed the study of Thermal Lens Spectrometry, its theory and applications, because it is a highly sensitive technique that allows the measure of the thermo-optical properties of the materials, as the thermal diffusivity (D), the thermal conductivity (k), the change of optical path length with temperature (ds/dT), for solid materials or the change of refractive index with temperature (dn/dT), for liquids and gases. Initially we studied the diffraction theory. We utilized the Fresnel Kirchhoff Diffraction Integral to obtain the analytic expression of the beam laser intensity, whose was diffracted for several optical elements, so much for the regime of the Fresnel diffraction as the regime of the Fraunhofer diffraction. Continuing in the study of the diffraction we proposed a very simple experimental apparatus where we used a laser pointer without the collimator lens, allowing that it was obtained with great facility the Fresnel diffraction patterns, which are difficult to observe in the common experimental apparatus. In the sequence, we made a revision of the models of Thermal Lens traditionally used, parabolic and aberrant models. And, in the comparison that we accomplished among them, we verified that for the results obtained through simulations, with the parabolic model it comes in great disagreement (>50%) with obtained them with the aberrant model. This way, we concluded that literature’s data obtained in the 70ths and they are still used, they must be reviewed. Finally, we noticed in the literature a growing interest in high power lasers. This way we made a study where we used the aberrant model of Thermal Lens under the regime of great q, in which we look for to verify the limit of validity of the used models, observing the appearance of the spherical aberration together with the rings structure.

O índice de refração não-linear n2 é o parâmetro chave da não-linearidade de terceira ordem em materiais ópticos. Um método simples, direto e sensível para medição do índice de refração não-linear (n2) é a técnica Z-scan proposta Sheik-Bahae et al 1. Nesse trabalho, um estudo sistemático quanto a esta técnica foi realizado. Utilizando a integral de difração de Fresnel-Kirchhoff, foi possível analisar a técnica investigando a influência do raio de abertura da íris. Foram obtidas expressões analíticas inéditas quando consideramos baixas não-linearidades induzidas por amostras finas. Esses resultados mostraram que o valor de n2 obtido é aproximadamente 36% maior do que n2 obtido por Sheik-Bahae para abertura linear de S=0,5, por exemplo.Extensões da técnica foram feitas, onde simulações para testar a viabilidade de medidas Z-scan no campo próximo e com dois feixes foram realizadas, de onde também foi possível encontrar resultados analíticos inéditos. Esses resultados teóricos foram testados tanto para feixe único quanto duplo em alguns experimentos, sendo obtido um bom acordo. Por fim, um novo método para medição do índice de refração não-linear não-degenerado foi proposto, em que é possível obter n2 no comprimento de onda do feixe de prova, num experimento com dois feixes. Esse resultado é importante uma vez que, em muitos casos, não é possível a realização de uma medida Z-scan convencional, devido ao fato da amostra não absorver o comprimento de onda do feixe de prova. Um resultado de n2 para rubi em 633nm foi obtido em bom acordo com resultados prévios da literatura, em que foram utilizadas técnicas de maior complexidade experimental. / The nonlinear refractive index n2 is the key parameter of the third order nonlinearity of optical materials. A simple, direct and sensitive measurement of nonlinear refractive index n2 is so-called Z-scan technique proposed by Sheik Bahae et al 1. In this work, a systematic study on this technique was performed. Based on Fresnel-Kirchhoff diffraction integral formula, it was possible to analyze the technique in order to investigate the influence of the apertures radius. We obtained unpublished analytical expressions when we consider small nonlinearities induced by thin samples. These results showed that the value of n2 obtained is about 36% larger than n2 obtained by Sheik-Bahae when the linear opening is 50%, for example.Extensions about the technique were made. Simulations were performed in order to test the feasibility of near-field Z-scan and two-color Z-scan measurements. Again it was also possible to find unpublished analytical results. The theoretical results were tested in some experiments and good agreement was found. Finally, a new method for measuring the nondegenerate refractive index was proposed. So, there is the possibility to obtain n2 at the wavelength of the probe beam in a two-color Z-scan experiment. This result is important since in many cases is impossible to perform a conventional z-scan measurement, due to the fact that the sample does not absorb the wavelength of the probe beam. A result of n2 for ruby at 633nm was obtained in good agreement with previous studies.

O índice de refração não-linear n2 é o parâmetro chave da não-linearidade de terceira ordem em materiais ópticos. Um método simples, direto e sensível para medição do índice de refração não-linear (n2) é a técnica Z-scan proposta Sheik-Bahae et al 1. Nesse trabalho, um estudo sistemático quanto a esta técnica foi realizado. Utilizando a integral de difração de Fresnel-Kirchhoff, foi possível analisar a técnica investigando a influência do raio de abertura da íris. Foram obtidas expressões analíticas inéditas quando consideramos baixas não-linearidades induzidas por amostras finas. Esses resultados mostraram que o valor de n2 obtido é aproximadamente 36% maior do que n2 obtido por Sheik-Bahae para abertura linear de S=0,5, por exemplo.Extensões da técnica foram feitas, onde simulações para testar a viabilidade de medidas Z-scan no campo próximo e com dois feixes foram realizadas, de onde também foi possível encontrar resultados analíticos inéditos. Esses resultados teóricos foram testados tanto para feixe único quanto duplo em alguns experimentos, sendo obtido um bom acordo. Por fim, um novo método para medição do índice de refração não-linear não-degenerado foi proposto, em que é possível obter n2 no comprimento de onda do feixe de prova, num experimento com dois feixes. Esse resultado é importante uma vez que, em muitos casos, não é possível a realização de uma medida Z-scan convencional, devido ao fato da amostra não absorver o comprimento de onda do feixe de prova. Um resultado de n2 para rubi em 633nm foi obtido em bom acordo com resultados prévios da literatura, em que foram utilizadas técnicas de maior complexidade experimental. / The nonlinear refractive index n2 is the key parameter of the third order nonlinearity of optical materials. A simple, direct and sensitive measurement of nonlinear refractive index n2 is so-called Z-scan technique proposed by Sheik Bahae et al 1. In this work, a systematic study on this technique was performed. Based on Fresnel-Kirchhoff diffraction integral formula, it was possible to analyze the technique in order to investigate the influence of the apertures radius. We obtained unpublished analytical expressions when we consider small nonlinearities induced by thin samples. These results showed that the value of n2 obtained is about 36% larger than n2 obtained by Sheik-Bahae when the linear opening is 50%, for example.Extensions about the technique were made. Simulations were performed in order to test the feasibility of near-field Z-scan and two-color Z-scan measurements. Again it was also possible to find unpublished analytical results. The theoretical results were tested in some experiments and good agreement was found. Finally, a new method for measuring the nondegenerate refractive index was proposed. So, there is the possibility to obtain n2 at the wavelength of the probe beam in a two-color Z-scan experiment. This result is important since in many cases is impossible to perform a conventional z-scan measurement, due to the fact that the sample does not absorb the wavelength of the probe beam. A result of n2 for ruby at 633nm was obtained in good agreement with previous studies.