Made available in DSpace on 2014-06-12T18:03:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho é dedicado à caracterização óptica de materiais nanoestruturados que são de interesse nas áreas de óptica não linear, optoeletrônica e nanofotônica. Para isto utilizamos a técnica de geração de segundo harmônico incoerente conhecida como técnica de espalhamento hiper-Rayleigh e a técnica de geração de terceiro harmônico. Os materiais investigados são vitrocerâmicas contendo nanocristais de niobato de sódio (NaNbO3) e colóides contendo nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) e titanato de chumbo (PbTiO3) em etanol. O primeiro capítulo apresenta uma introdução sobre materiais nanoestruturados e sua relação com a óptica não linear, e no mesmo capítulo descrevemos algumas propriedades particulares dos materiais estudados nesta pesquisa assim com o processo de elaboração das amostras. O capitulo 2 é dedicado às questões teóricas relacionadas com os fenômenos de geração de harmônicos coerentes e incoerentes. Os capítulos 3 e 4 são dedicados a técnica de espalhamento hiper-Rayleigh e a técnica de terceiro harmônico. Em ambos os capítulos fazemos uma descrição das técnicas e dos experimentos realizados e os resultados obtidos. A técnica de espalhamento hiper-Rayleigh foi desenvolvida para determinar a primeira hyperpolarizabilidade (β) de moléculas em solução, mas nos últimos anos também tem sido utilizada para determinar a primeira hiperpolarizabilidade efetiva de nanopartículas em colóides. Em nosso trabalho, utilizamos esta técnica pela primeira vez para determinar β de nanopartículas inseridas numa matriz vítrea. Também utilizamos a técnica para determinar β de nanopartículas de materiais ferroelétricos suspensas em etanol. O valor de β calculado para as partículas de NaNbO3 foi muito baixo se comparado com o valor reportado para partículas semicondutoras de igual tamanho, enquanto o valor calculado para as partículas de BaTiO3 e PbTiO3 foi da ordem de outros materiais semicondutores. A técnica de geração de terceiro harmônico é utilizada para determinar a susceptibilidade de terceira ordem de materiais transparentes, para isto é utilizado o método de franjas de Maker que é tradicionalmente realizado com pulsos monocromáticos, e permite calcular o comprimento de coerência de geração de segundo o terceiro harmônico dos materiais e o coeficiente não linear de terceiro harmônico. Em nossa pesquisa realizamos o experimento pela primeira vez com pulsos de femtossegundos e desenvolvemos um método para determinar a curva de dispersão de materiais e o coeficiente não linear. O método foi utilizado para a caracterização das vitrocerâmicas contendo nanocristais de niobato de sódio

Neste trabalho, estudamos as propriedade ópticas da tetrapiridilporfirina (TPyP), usando clorofórmio como sol vente. Para a caracterização óptica linear foram medidos os espectros de fluorescência e absorbância, tendo este último nos permitido determinar a seção de choque para o estado fundamental com radiação incidente em 532 nm. Usamos a técnica de varredura Z com trem de pulsos (VZTP) para medirmos a absorção não linear da TPyP, em 532 nm, e determinamos, através de um modelo fenomenológico de cinco níveis, vários parâmetros espectroscópicos tais como seções de choques e tempos de vida dos estados. Além disso, com a utilização da técnica de espalhamento hiperRayleigh (HRS) medimos a primeira hiperpolarizabilidade da TPyP, dissolvida em clorofórmio em 1064 nm usando, como material de referência, a p-nitroanilina (PN A), diluída em metanol. / This work reports on the optical properties of the tetrakis(pyridil)porphyrin (TPyP). In order to perform the linear optical characterization, fluorescence and absorbance spectra were obtained, where the latter allowed the determination of the cross-section for the ground state with incident radiation at À = 532 nm. We used the Zscan tecnique with pulse trains (ZSPT) to measure the nonlinear absorption of TPyP, at 532 nm, and we managed to determine, through a phenomenological five levels model, several spectroscopic parameters such as cross-sections and lifetime of the states. Moreover, we measured the first hyperpolarizability of TPyP dissolved in chloroform, at À = 1064 nm, using the Hyper-Rayleigh scattering (HRS) technique. The reference material used for HRS measurements was p-nitroaniline (PNA) dissolved in methanol.

Nesta tese apresentamos uma extensão da técnica de espalhamento hiper-Rayleigh (HRS) e sua aplicação para o estudo dos mecanismos que interferem na primeira hiperpolarizabilidade molecular (). Utilizamos um laser Nd:YAG, Q-switched e mode-locked como bombeio para excitar as amostras. Este laser emite pulsos de 100 ps modulados por uma envoltória de Q-switch. A saída é uma seqüência de pulsos com intensidades que acompanham a forma da envoltória. Usamos este trem de pulsos para excitar as amostras na medida de espalhamento hiper-Rayleigh, e um sistema de detecção com resolução temporal suficiente para resolver cada pulso independentemente. Esta modalidade de bombeio permitiu eliminar o controle mecânico da intensidade, o que reduziu o tempo necessário para a medida e melhorou a estabilidade nas condições experimentais. O método com trem de pulsos proporciona meios de identificar contribuições luminescentes e evitar valores superestimados para a primeira hiperpolarizabilidade. Realizamos testes medindo a molécula de paranitroanilina em vários solventes e verificamos muito boa reprodutibilidade dos valores da literatura. Comparamos os resultados medidos com valores calculados a partir do método de Hartree-Fock e corrigimos o engrandecimento por ressonância utilizando um modelo de dois níveis. A comparação entre valores teóricos e experimentais teve uma diferença média de 15%. Um estudo análogo para a molécula de dianilina não reproduziu os valores experimentais e atribuímos a falha à inaplicabilidade do modelo de dois níveis para medidas no regime ressonante. Também estudamos a primeira hiperpolarizabilidade nas porfirinas TDMImP e TPPS4, sob a forma base livre e formando complexos com Zn2+, Fe3+ e Mn3+. Para a TPPS4 estendemos o estudo para observar os efeitos da protonação na base livre e da formação de oxo dímeros na FeTPPS4 e as alterações causadas pela presença de micelas de CTAB. A comparação direta entre os resultados é dificultada em muitos casos pela diferença no engrandecimento por ressonância. Foi possível verificar que a presença de micelas tem o efeito de diminuir o valor de na H2TPPS4 pH 7. As medidas de HRS em ambiente ácido (pH 4) corroboram com a literatura, indicando que a ocorre desprotonação na presença de micelas. Um estudo teórico e experimental dos três isômeros do aminofenol permitiu analisar os efeitos da posição relativa dos grupos radicais e do comprimento da conjugação sobre a primeira hiperpolarizabilidade. Verificamos que a alteração no caráter doador/aceitador para diferentes posições dos grupos radicais tem influência maior no valor de do que o comprimento da conjugação. Utilizamos compostos com o ligante salen, com grupos laterais etano e DR1 e com ligantes H2, Cu2+, Ni2+ e VO2+, para estudar como os diferentes grupos e complexos refletem diferenças no valor de . Foi possível verificar que diferentemente da absorção linear e da seção de choque para dois fótons, o ligante com grupos radicais DR1 causam um aumento na primeira hiperpolarizabilidade que é muito maior do que a soma das contribuições individuais. Os complexos têm primeiras hiperpolarizabilidades maiores do que o ligante com H2 e a comparação entre os dois grupos com diferentes radicais mostra que existe uma correlação entre os aumentos causados por diferentes complexos. / This thesis reports an extension of the Hyper-Rayleigh scattering technique (HRS) and its application to study the mechanisms that contribute to the molecular first hyperpolarizabilities (). We use a Nd:YAG laser, Q-switched and mode-locked, as pumping beam to excite the samples. The laser delivers 100 ps pulses modulated by a Q-switch envelope, and the output is a pulse sequence which intensities follow the shape of the envelope. This pulse train is used to excite the samples in a Hyper-Rayleigh scattering experiment and the signal for each mode-lock pulse is detected independently. This modality of pumping allows the removal of the mechanical intensity control, therefore reducing measurement time and improved experimental stability. The method with pulse train also provides means to identify luminescent contributions and avoid overestimated values for the first hyperpolarizability. We performed test measurements with para-nitroaniline in several solvents and verified very good reproducibility of literature values. We also compared the measured and calculated values, obtained with the Hartree-Fock method and corrected for resonance enhancement with a two level model. The comparison between theoretical and experimental values results in an average difference of 15%. Similar studies for the dianiline molecule failed to reproduce experimental values and we attributed the failure to the inadequacy of the of the two-level model to correct resonance enhancement. We also studied the first hyperpolarizability of the TDMImP and TPPS4 porphyrins, in the free-base form and in complex with Zn2+, Fe3+ and Mn3+. For TPPS4 we extended the study to observe the protonação effects in the free-base and the formation of oxo dimmers in FeTPPS4 complexes. The comparison between results from different compounds is hindered in most cases by different contributions from resonance enhancement. However, it was possible to verify that the presence of micelles has the effect of reducing the value of on H2TPPS4 pH 7. The HRS measurements in acid environment (pH 4) corroborates with the literature, indicating that desprotonation occurs in the presence of CTAB micelles. A theoretical and experimental study of three aminofenol isomers allowed to verify the effects of the relative positions of radical groups and the conjugation length on the first hyperpolarizability. The results show that in this case the change in the donor/acceptor character for different positions of the radical groups is more important than the increase in one unit in the conjugation length. We also studied compounds with the salen ligant, observing the effects of different lateral groups (ethane and DR1) and different complexes (H2, Cu2+, Ni2+ and VO2+) on the value of . It was possible to verify that, differently than the linear absorption the two-photon cross section, the compounds with DR1 shows an increase in the first hyperpolarizability that is much larger than the sum of the individual contributions of DR1 groups. The metal complexes have larger first hyperpolarizabilities than the ligant and the enhancement produced by different complexes follows the same pattern for both radical groups. Even after the strong increase in produced by the DR1 group, the much weaker effect of the complexes is preserved and measurable.

Nesta tese apresentamos uma extensão da técnica de espalhamento hiper-Rayleigh (HRS) e sua aplicação para o estudo dos mecanismos que interferem na primeira hiperpolarizabilidade molecular (). Utilizamos um laser Nd:YAG, Q-switched e mode-locked como bombeio para excitar as amostras. Este laser emite pulsos de 100 ps modulados por uma envoltória de Q-switch. A saída é uma seqüência de pulsos com intensidades que acompanham a forma da envoltória. Usamos este trem de pulsos para excitar as amostras na medida de espalhamento hiper-Rayleigh, e um sistema de detecção com resolução temporal suficiente para resolver cada pulso independentemente. Esta modalidade de bombeio permitiu eliminar o controle mecânico da intensidade, o que reduziu o tempo necessário para a medida e melhorou a estabilidade nas condições experimentais. O método com trem de pulsos proporciona meios de identificar contribuições luminescentes e evitar valores superestimados para a primeira hiperpolarizabilidade. Realizamos testes medindo a molécula de paranitroanilina em vários solventes e verificamos muito boa reprodutibilidade dos valores da literatura. Comparamos os resultados medidos com valores calculados a partir do método de Hartree-Fock e corrigimos o engrandecimento por ressonância utilizando um modelo de dois níveis. A comparação entre valores teóricos e experimentais teve uma diferença média de 15%. Um estudo análogo para a molécula de dianilina não reproduziu os valores experimentais e atribuímos a falha à inaplicabilidade do modelo de dois níveis para medidas no regime ressonante. Também estudamos a primeira hiperpolarizabilidade nas porfirinas TDMImP e TPPS4, sob a forma base livre e formando complexos com Zn2+, Fe3+ e Mn3+. Para a TPPS4 estendemos o estudo para observar os efeitos da protonação na base livre e da formação de oxo dímeros na FeTPPS4 e as alterações causadas pela presença de micelas de CTAB. A comparação direta entre os resultados é dificultada em muitos casos pela diferença no engrandecimento por ressonância. Foi possível verificar que a presença de micelas tem o efeito de diminuir o valor de na H2TPPS4 pH 7. As medidas de HRS em ambiente ácido (pH 4) corroboram com a literatura, indicando que a ocorre desprotonação na presença de micelas. Um estudo teórico e experimental dos três isômeros do aminofenol permitiu analisar os efeitos da posição relativa dos grupos radicais e do comprimento da conjugação sobre a primeira hiperpolarizabilidade. Verificamos que a alteração no caráter doador/aceitador para diferentes posições dos grupos radicais tem influência maior no valor de do que o comprimento da conjugação. Utilizamos compostos com o ligante salen, com grupos laterais etano e DR1 e com ligantes H2, Cu2+, Ni2+ e VO2+, para estudar como os diferentes grupos e complexos refletem diferenças no valor de . Foi possível verificar que diferentemente da absorção linear e da seção de choque para dois fótons, o ligante com grupos radicais DR1 causam um aumento na primeira hiperpolarizabilidade que é muito maior do que a soma das contribuições individuais. Os complexos têm primeiras hiperpolarizabilidades maiores do que o ligante com H2 e a comparação entre os dois grupos com diferentes radicais mostra que existe uma correlação entre os aumentos causados por diferentes complexos. / This thesis reports an extension of the Hyper-Rayleigh scattering technique (HRS) and its application to study the mechanisms that contribute to the molecular first hyperpolarizabilities (). We use a Nd:YAG laser, Q-switched and mode-locked, as pumping beam to excite the samples. The laser delivers 100 ps pulses modulated by a Q-switch envelope, and the output is a pulse sequence which intensities follow the shape of the envelope. This pulse train is used to excite the samples in a Hyper-Rayleigh scattering experiment and the signal for each mode-lock pulse is detected independently. This modality of pumping allows the removal of the mechanical intensity control, therefore reducing measurement time and improved experimental stability. The method with pulse train also provides means to identify luminescent contributions and avoid overestimated values for the first hyperpolarizability. We performed test measurements with para-nitroaniline in several solvents and verified very good reproducibility of literature values. We also compared the measured and calculated values, obtained with the Hartree-Fock method and corrected for resonance enhancement with a two level model. The comparison between theoretical and experimental values results in an average difference of 15%. Similar studies for the dianiline molecule failed to reproduce experimental values and we attributed the failure to the inadequacy of the of the two-level model to correct resonance enhancement. We also studied the first hyperpolarizability of the TDMImP and TPPS4 porphyrins, in the free-base form and in complex with Zn2+, Fe3+ and Mn3+. For TPPS4 we extended the study to observe the protonação effects in the free-base and the formation of oxo dimmers in FeTPPS4 complexes. The comparison between results from different compounds is hindered in most cases by different contributions from resonance enhancement. However, it was possible to verify that the presence of micelles has the effect of reducing the value of on H2TPPS4 pH 7. The HRS measurements in acid environment (pH 4) corroborates with the literature, indicating that desprotonation occurs in the presence of CTAB micelles. A theoretical and experimental study of three aminofenol isomers allowed to verify the effects of the relative positions of radical groups and the conjugation length on the first hyperpolarizability. The results show that in this case the change in the donor/acceptor character for different positions of the radical groups is more important than the increase in one unit in the conjugation length. We also studied compounds with the salen ligant, observing the effects of different lateral groups (ethane and DR1) and different complexes (H2, Cu2+, Ni2+ and VO2+) on the value of . It was possible to verify that, differently than the linear absorption the two-photon cross section, the compounds with DR1 shows an increase in the first hyperpolarizability that is much larger than the sum of the individual contributions of DR1 groups. The metal complexes have larger first hyperpolarizabilities than the ligant and the enhancement produced by different complexes follows the same pattern for both radical groups. Even after the strong increase in produced by the DR1 group, the much weaker effect of the complexes is preserved and measurable.

Neste trabalho, estudamos as propriedade ópticas da tetrapiridilporfirina (TPyP), usando clorofórmio como sol vente. Para a caracterização óptica linear foram medidos os espectros de fluorescência e absorbância, tendo este último nos permitido determinar a seção de choque para o estado fundamental com radiação incidente em 532 nm. Usamos a técnica de varredura Z com trem de pulsos (VZTP) para medirmos a absorção não linear da TPyP, em 532 nm, e determinamos, através de um modelo fenomenológico de cinco níveis, vários parâmetros espectroscópicos tais como seções de choques e tempos de vida dos estados. Além disso, com a utilização da técnica de espalhamento hiperRayleigh (HRS) medimos a primeira hiperpolarizabilidade da TPyP, dissolvida em clorofórmio em 1064 nm usando, como material de referência, a p-nitroanilina (PN A), diluída em metanol. / This work reports on the optical properties of the tetrakis(pyridil)porphyrin (TPyP). In order to perform the linear optical characterization, fluorescence and absorbance spectra were obtained, where the latter allowed the determination of the cross-section for the ground state with incident radiation at À = 532 nm. We used the Zscan tecnique with pulse trains (ZSPT) to measure the nonlinear absorption of TPyP, at 532 nm, and we managed to determine, through a phenomenological five levels model, several spectroscopic parameters such as cross-sections and lifetime of the states. Moreover, we measured the first hyperpolarizability of TPyP dissolved in chloroform, at À = 1064 nm, using the Hyper-Rayleigh scattering (HRS) technique. The reference material used for HRS measurements was p-nitroaniline (PNA) dissolved in methanol.

A utilização de laser para estudo, análise e caracterização de materiais é de imensa importância no desenvolvimento e progresso da ciência e tecnologia, melhorando ciclicamente a área de ótica não linear (ONL). Estudos do comportamento de compostos orgânicos cujas estruturas são π conjugadas mostram sua ampla aplicabilidade em dispositivos eletrônicos e na área medicinal. A adição de grupos laterias doadores ou aceitadores de elétrons têm a capacidade de aumentar os efeitos ópticos não lineares nestes compostos, otimizando suas propriedades. Nesta dissertação de mestrado, foram realizados estudos em compostos orgânicos focados em suas características ópticas não lineares. Nove derivados de chalconas e quatro derivados de azometinas foram analisadas através da técnica de espalhamento hiper-Rayleigh (HRS) e da técnica de varredura-z, cujos efeitos óticos não lineares observados correspondem à segunda e terceira ordem da polarizabilidade, respectivamente. Com o espalhamento hiper-Rayleigh, foram determinadas a primeira hiperpolarizabilidade βHRS cujo valor mais alto foi 24×10−30 cm5/esu para as chalconas e 273×10−30 cm5/esu para as azometinas. A técnica de varredura-z foi utilizada para determinar o espectro da seção de choque de absorção de dois fótons (σ2PA) cujos valores de pico das moléculas derivadas de chalconas são de aproximadamente 15 GM e algumas apresentaram estados excitados que são permitidos apenas por absorção de dois fótons. Duas das moléculas derivadas de azometinas apresentaram valores de pico da ordem de 12 GM, uma não apresentou absorção de dois fótons e uma apresentou valor de pico de 55 GM. Além disso, foi utilizado o método de Soma-Sobre-Estados (SOS - do inglês Sum-Over-States) para determinar os momentos de dipolo de transição e diferença de momentos de dipolo permanente de todos os derivados. / The use of lasers for study, analyses and characterization of materials are of great importance for progress and development of science and technology, improving in a cyclic way the nonlinear optics area (NLO). Studies of the behave of π-conjugated organic compounds show its wide applicability in electronic devices and in the medicinal area. Adding electron donor or acceptor lateral groups to these compounds may alter its nonlinear optical effects, optimizing its properties. In this Master dissertation, studies on organic compounds focused in its nonlinear optical characteristics were realized. Nine chalcone derivatives and four azomethines derivatives were analyzed using the Hyper-Rayleigh Scattering technique (HRS) and Z-Scan technique, by which the nonlinear optical effects observed corresponds to the second and third order of the polarizabilities, respectively. With the HRS the first hyperpolarizability βHRS was determined, which the highest values was of 24×10−30 cm5/esu for the chalcones, and 273×10−30 cm5/esu for the azomethines. The Z-Scan technique was utilized for determining the two-photon cross-section σ2PA which peak values of the chalcone derivatives were of approximately 15 GM and some of them presented excited states that are only allowed by two-photon absorption. Two of the azomethines derivatives molecules presented peak values of the order of 12 GM, one of them did not present two-photon absorption, and one presented peak value of 55 GM. Furthermore, the Sum-Over-States (SOS) method was used to determine the transition dipole momentums and the difference of permanent dipole momentum of all of the derivatives.

A utilização de laser para estudo, análise e caracterização de materiais é de imensa importância no desenvolvimento e progresso da ciência e tecnologia, melhorando ciclicamente a área de ótica não linear (ONL). Estudos do comportamento de compostos orgânicos cujas estruturas são π conjugadas mostram sua ampla aplicabilidade em dispositivos eletrônicos e na área medicinal. A adição de grupos laterias doadores ou aceitadores de elétrons têm a capacidade de aumentar os efeitos ópticos não lineares nestes compostos, otimizando suas propriedades. Nesta dissertação de mestrado, foram realizados estudos em compostos orgânicos focados em suas características ópticas não lineares. Nove derivados de chalconas e quatro derivados de azometinas foram analisadas através da técnica de espalhamento hiper-Rayleigh (HRS) e da técnica de varredura-z, cujos efeitos óticos não lineares observados correspondem à segunda e terceira ordem da polarizabilidade, respectivamente. Com o espalhamento hiper-Rayleigh, foram determinadas a primeira hiperpolarizabilidade βHRS cujo valor mais alto foi 24×10−30 cm5/esu para as chalconas e 273×10−30 cm5/esu para as azometinas. A técnica de varredura-z foi utilizada para determinar o espectro da seção de choque de absorção de dois fótons (σ2PA) cujos valores de pico das moléculas derivadas de chalconas são de aproximadamente 15 GM e algumas apresentaram estados excitados que são permitidos apenas por absorção de dois fótons. Duas das moléculas derivadas de azometinas apresentaram valores de pico da ordem de 12 GM, uma não apresentou absorção de dois fótons e uma apresentou valor de pico de 55 GM. Além disso, foi utilizado o método de Soma-Sobre-Estados (SOS - do inglês Sum-Over-States) para determinar os momentos de dipolo de transição e diferença de momentos de dipolo permanente de todos os derivados. / The use of lasers for study, analyses and characterization of materials are of great importance for progress and development of science and technology, improving in a cyclic way the nonlinear optics area (NLO). Studies of the behave of π-conjugated organic compounds show its wide applicability in electronic devices and in the medicinal area. Adding electron donor or acceptor lateral groups to these compounds may alter its nonlinear optical effects, optimizing its properties. In this Master dissertation, studies on organic compounds focused in its nonlinear optical characteristics were realized. Nine chalcone derivatives and four azomethines derivatives were analyzed using the Hyper-Rayleigh Scattering technique (HRS) and Z-Scan technique, by which the nonlinear optical effects observed corresponds to the second and third order of the polarizabilities, respectively. With the HRS the first hyperpolarizability βHRS was determined, which the highest values was of 24×10−30 cm5/esu for the chalcones, and 273×10−30 cm5/esu for the azomethines. The Z-Scan technique was utilized for determining the two-photon cross-section σ2PA which peak values of the chalcone derivatives were of approximately 15 GM and some of them presented excited states that are only allowed by two-photon absorption. Two of the azomethines derivatives molecules presented peak values of the order of 12 GM, one of them did not present two-photon absorption, and one presented peak value of 55 GM. Furthermore, the Sum-Over-States (SOS) method was used to determine the transition dipole momentums and the difference of permanent dipole momentum of all of the derivatives.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The most recent developments in the field of nonlinear optics (NLO) show that organic molecules with electron donating or accepting substituents at either ends of a long -conjugation could be promising candidates for integration into photonic devices or applications such 3D microfabrication, optical-limiting, photodynamic therapy, biological probes, etc. Linear and nonlinear optical measurements were carried out for two classes of organic molecules: chalcones and oxazoles. Second- and third-order nonlinear optical properties, namely the first molecular hyperpolarizability ( HRS) and the cross-section of two-photon absorption ( A2F ), respectively, were measured for eight chalcones and for six oxazoles dyes. The experimental values of HRS and A2F were achieved by using hyper-Rayleigh Scattering and Z-Scan techniques, respectively. HRS maximum values of 42 10-30 (esu) and 412 10-30 (esu), for chalcones and oxazoles compounds, respectively, have been obtained. The A2F maximum values of 42 GM and 85 GM for chalcones and oxazoles compounds, respectively, have been obtained. This study has identified the lower performance of chalcones compared to the oxazoles compounds for both NLO effects studied, probably due to the length difference in the -conjugation together with the different electron donor groups present in both compounds. Whenever possible, and in order to better understand the experimental results, quantum chemical calculations were performed employing density-functional theory using the Dalton and Gaussian software. / Os últimos avanços na área da óptica não linear (ONL) mostram que compostos orgânicos que possuem estruturas conjugadas e grupos doadores/aceitadores de elétrons, poderão ser meios materiais promissores na integração de dispositivos ou aplicações fotônicas, tais como: micro-fabricação tridimensional, limitação óptica, marcadores biológicos, fototerapia dinâmica, entre outras. Nesta tese foi realizada a caracterização óptica linear e não linear de duas classes de moléculas orgânicas: chalconas e corantes de oxazóis. Foram estudados os efeitos ópticos não lineares de segunda e terceira ordem, nomeadamente a primeira hiperpolarizabilidade molecular ( HRS) e a seção de choque da absorção de dois fótons ( A2F ), respectivamente, para oito compostos do tipo chalconas e seis compostos do tipo corantes de oxazóis. Os valores experimentais de HRS e A2F foram determinados experimentalmente através do espalhamento de hyper-Rayleigh e da técnica de varredura- Z, respectivamente. Os valores máximos encontrados para HRS foram de 42 10-30 (esu) e 412 10-30 (esu) para os compostos do tipo chalconas e oxazóis, respectivamente. Os valores máximos obtidos para A2F foram de 42 GM e 86 GM para os compostos do tipo chalconas e oxazóis, respectivamente. Estes resultados mostram um menor desempenho dos compostos do tipo chalconas em relação aos oxazóis em ambos os efeitos de ONL estudados, provavelmente devido às diferentes assimetrias de distribuição de carga entre as estruturas, bem como da diferente extensão das estruturas conjugadas. Sempre que foi possível, e com o intuito de interpretar melhor os resultados experimentais, foram realizados cálculos químico-quânticos empregando a teoria do funcional de densidade, através dos programas de simulação computacional Dalton e Gaussian 09.

Compostos orgânicos constituem uma classe interessante de materiais para aplicações em óptica por apresentarem boa processabilidade, relativa facilidade para integração em dispositivos e, principalmente, pela possibilidade de otimização de suas propriedades ópticas através da engenharia molecular. Várias estratégias têm sido empregadas para sintetizar moléculas orgânicas, que exibam singificativos efeitos ópticos não lineares. Nesta direção, nos últimos anos moléculas multi-ramificadas vêm sendo produzidas com o objetivo de intensificar efeitos não lineares, já que estas podem exibir um forte efeito cooperativo entre seus ramos. Nesta tese estudamos a relação da absorção de dois fótons (A2F) e da primeira hiperpolarizabilidade com a estrutura molecular, para um conjunto de nove derivados de trifenilamina com diferentes grupos aceitadores de elétrons arranjadas em geometrias dipolar, quadrupolar e octopolar. O processo A2F foi estudados através da técnica de Varredura-Z, enquanto que a primeira hiperpolarizabilidade foi caracterizada pela técnica de espelhamento hiper Rayleigh. Os dados experimentais para a absorção de dois fótons revelaram espectros bem definidos, com valores razoáveis de seção de choque na região do visível e infravermelho próximo. Observamos ainda um engrandecimento para a seção de choque de A2F para as moléculas quadrupolares. Os resultados obtidos para a primeira hiperpolarizabilidade (β) mostraram que moléculas quadrupolares apresentam maior β do que as dipolares e octopolares, portanto, nossos resultados permitem concluir que o acoplamento eletrônico entre os ramos contribuem fortemente para a seção de choque por A2F e β nas moléculas quadrupolares, não sendo este processo relevante nas moléculas octopolares. Todos os resultados foram interpretados por meio de estudos teóricos empregando a teoria do funcional da densidade (DFT). / Organic compounds constitute an interesting class of materials for optical applications due to their excellent processability, easy integration into devices and, mainly, the possibility of optimizing its optical properties through molecular engineering. Several strategies have been employed to synthesize organic molecules, which exhibit significant nonlinear optical effects. In this direction, in the last few years multi-branched molecules have been obtained aiming at intensifying nonlinear optical effects, since they may exhibit a strong cooperative effect among their branches. On this thesis we have studied the relationship of two-photon absorption (2PA) and first hyperpolarizability with the molecular structure of a group of nine triphenylamine derivatives attached to distinct electron acceptor groups arranged in dipole, quadrupole and octopolar geometries. The 2PA process was studied by Z-scan technique, while the first hyperpolarizability was characterized by the hyper-Rayleigh scattering technique. The experimental data for two-photon absorption revealed well-defined spectra with reasonable cross section magnitude in the visible and near infrared range. We also observed an enhancement of the 2PA cross-section for the quadrupolar molecules in comparison to the dipolar and octopolar ones. The results obtained for the first hyperpolarizability (β) shown that the quadrupolar molecules present higher β than the dipolar and octopolar, suggesting that the electronic coupling between the branches strongly contribute to the 2PA cross-section and β in quadrupolar molecules, being not relevant in the octopolar molecules. All results were interpreted through theoretical studies based on the density functional theory (DFT).

Apresentamos os resultados do estudo das não-linearidades ópticas de origem eletrônica de duas moléculas da classe dos oligômeros de anilina: o dímero e o tetrâmero. Foram medidas quatro concentrações de tetrâmero, puras e também dopadas em 33 e 100%; uma de dímero pura e outra dopada em 100%. As soluções foram preparadas usando dimetil-sulfóxido (DMSO) como solvente e a dopagem foi realizada com ácido clorídrico. As amostras foram caracterizadas por medidas de absorção linear e fluorescência antes das medidas não-lineares. Obtivemos os valores da primeira hiperpolarizabilidade (?) para todas as amostras, o índice de refração não-linear (n2) do tetrâmero dopado e não dopado, e a absorção não-linear em função da intensidade e da concentração do tetrâmero. As medidas foram realizadas através das técnicas de Varredura-Z, absorção não-linear e espalhamento Hiper-Rayleigh. Os resultados foram interpretados em termos da comparação entre diferentes estados de dopagem e da variação da seção de choque do estado fundamental para o primeiro excitado. / We report on the study of electronic optical non linearities in two aniline oligomers: dimer and the tetramer. Four tetramer concentrations were measured, pure and also 33 and 100% doped; one of dimer non doped another 100% doped. The solutions were prepared using dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent and the doping was performed with hydrochloric acid. The samples were characterized by measurements of linear absorption and fluorescence. We obtained the values of the first hyperpolarizability (?) for all samples, the non linear index of refraction (n2) for non doped and doped tetramer, and the non linear absorption in function of intensity and concentration of the tetramer. The measurements were accomplished through the techniques of Z-Scan, non linear absorption and Hyper-Rayleigh Scattering. The results were interpreted in terms of the comparison among different doping states and of the variation of cross-section for the transition from ground to the first excited states.