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.

Nesta dissertação são estudados três sistemas interfaciais, com o objetivo de observar o efeito do aquecimento localizado por laser. O primeiro sistema consistiu de filmes ultrafinos de níquel ftalocianina tetrasulfonada, com intercalantes diferentes (Zr e PDDA), analisados pela técnica fototérmica de lente térmica (LT). Foi montada uma instrumentação de LT completa, sendo a fonte excitante um laser de He-Ne de baixa potência (10 mW). Estes filmes, com diferentes números de camadas, foram imersos em solventes orgânicos e a transferência de calor na interface foi estudada através do ajuste do sinal de LT. Os dados obtidos revelaram a proporcionalidade do sinal de LT com o aumento do número de camadas e permitiram a determinação das difusividades térmicas dos solventes utilizados. O segundo sistema consistiu de monocamadas de hexadecanol depositadas na superfície de soluções de cristal violeta (CV). A superfície destas soluções foi aquecida a laser e a transferência do calor gerado foi detectada através de uma instrumentação de deflexão fototérmica transversa (PDB). Estes experimentos foram realizados em uma balança de superfície, com uma compressão controlada da mono camada. Foi observado um aumento da transferência de calor para o ar a partir de um certo ponto da isoterma de compressão da monocamada. O mecanismo de supressão de correntes de convecção por surfatantes é indicado como provável causador deste aumento de transferência de calor. O terceiro sistema consistiu na fabricação de filmes LB de ácido octadecanóico modificados pelo aquecimento do menisco durante a sua deposição. Uma instrumentação semelhante a empregada no segundo experimento serviu de base para estes experimentos, com o laser de excitação direcionado próximo ao substrato. Foram observadas as curvas de taxa de transferência e foram comparadas as morfologias do filme resultante deste aquecimento com filmes não aquecidos do ácido octadecanóico e do ácido octadecanóico na presença de Orange G (OG), o corante empregado para geração de calor. Nestes estudos morfológicos são apresentadas microscopia ópticas do filme, que mostram a formação de anéis no filme, provavelmente devido à evaporação da subfase. São também apresentadas imagens de microscopia de força atômica deste filme submetido a aquecimento, evidenciando o enrugamento da superfície em nível micrométrico, mostrando ser possível modificar o processo de formação de filmes através do aquecimento localizado. / In this dissertation three interfacial systems were examined, with the goal of observing the effect of localized laser-heating on them. The first studied system were ultrathin films of nickel tetrasulfophthalocyanine, with different compounds (Zr or PDDA), analyzed by thermal lens. A complete instrumentation of LT was mounted, being the exciting source a He-Ne laser of low power (10 mW) and low cost. These films, with different numbers of layers, had been immersed in organic solvents and the heat transfer through the interface was studied through mathematical fitting of the LT signal. The acquired data had disclosed the proportionality of the signal of LT with the increase in the number of layers and had allowed the determination of thermal diffusivities of the used solvents. Hexadecanol monolayers on the surface of Crystal Violet (CV) aqueous solutions were the second system to be studied. The surface of these solutions was laser-heated and the heat transfer to the air was detected through a photothermal beam deflection instrumentation (PDB). These experiments have been carried out in a surface balance to provide controlled compression of the monolayer. An increase in the heat transfer to the air from a certain point of the monolayer isotherm was observed. The mechanism of suppression of surface tension-induced convection by surfactants is proposed as the probable cause of such increase. LB films of octadecanoic acid were used in the third set of experiments, with the aim of modifying the film surface morphology by laser heating of the meniscus region during the deposition process. An instrumentation similar to the one employed in the previous experiment served as base for these experiments, with the laser of excitement pointed close to the substrate. The curves of transfer ratio had been observed and the morphologies of the laser-heated ?lm were compared to the non-heated films of octadecanoic acid with and without Orange G (OG, dye used as auxiliary for heat generation). Optical microscopy images from the laser-heated film were obtained, showing ring formation, probably due the evaporation of subphase. Also images of atomic force microscopy of this laser-heated film are shown, evidencing the wrinkling of the surface in micrometric level when compared to similar films from non-heated films. This behaviour shows the feasibility of modification in the process of formation of LB films through localised laser-heating.

Neste trabalho investigamos as propriedades térmicas (difusividade, condutividade, variação do caminho óptico com a temperatura, etc) e processos de perdas devido a interações entre íons em materiais lasers vítreos e cristalinos. Desde que a eficiência quântica de fluorescência, , está diretamente relacionada com esses mecanismos que levam a supressão da luminescência, os estudos foram realizados principalmente observando os efeitos desses agentes sobre . Espectros de lente térmica (LT) foram usados para determinar , eficiência de transferência de energia matriz-íon, e para analisar efeitos de sítios de defeitos sobre . Um novo método usando a técnica de LT foi proposto para determinar e o coeficiente de temperatura do caminho óptico. Com esta nova abordagem analisamos em materiais vítreos os mecanismos de supressão da luminescência em função da concentração de íons de Nd. Também a usamos para estudar efeitos de radicais de OH e outras impurezas em matrizes vítreas de fosfato dopadas com Yb3+. Processos de conversão ascendente Auger, os quais são importantes em sistemas lasers de alta potência, foram investigados em vidros e cristais dopados com Nd3+. Nos vidros o estudo foi realizado em função da concentração de íons dopantes. Neste estudo a técnica de LT mostrou ser muito sensível, apresentando resultados com erros bem menores que os existentes na literatura. Seguindo o estudo de perdas, investigamos distorção óptica induzida pela luz em função da temperatura, potência de excitação e polarização no cristal ferroelétrico SBN. Usando a técnica de LT, investigamos as propriedades térmicas através da transição de fase ferroelétrica-paraelétrica em cristais de SBN. Complementando, esta tese contribui significativamente para a caracterização de materiais laser, considerando que vários dos mecanismos de perdas estudados propriamente devem ser levados em conta em projetos de laser. Este trabalho também apresenta a técnica de lente térmica como uma ferramenta valiosa para tal estudo. / In this work we investigate the thermal properties (diffusivity, conductivity, temperature coefficient of the optical path length change, etc) and loss processes owing to ion-ion interactions in laser glassy and crystalline materials. Since the fluorescence quantum efficiency, , is directly related to these mechanisms that lead to luminescence quenching, the studies were performed mainly observing the effects of these processes on . Thermal lens (TL) spectra were used to determine , energy transfer efficiency between matrix-ion, and to analyze effects of \"dead site\" on . A new method based on the TL technique was proposed to determine q and the temperature coefficient of the optical path length change. This new approach was used to investigate concentration quenching mechanisms in glassy materials. It was also used to study effects of OH radicals and other impurities in Yb3+ doped phosphate glasses. Upconversion Auger processes, which are very important for high power laser systems, were investigated in Nd3+ -doped glasses and crystals. In glasses the study was performed as a function of doping ions. In this study the TL showed to be very sensitive, presenting results with uncertainties much smaller than previous literatures. Following the study of losses, we investigate light induced optical distortion as a function of temperature, excitation power, and polarization in SNB ferroelectric crystal. Using the TL technique, the thermal properties through the phase transition ferroelectric-paraelectric in SBN crystals were investigated. In addition, this thesis significantly contributes for characterization of laser materials with potential applications, considering that severa1 of the loss mechanisms studied here must be considered in laser design. This work also presents the TL technique as a valuable to01 for the present study.

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.

A técnica de varredura-z tem sido bastante utilizada para a determinação do índice de refração não-linear (n2) em meios transparentes. Apresentamos neste trabalho uma análise teórica e resultados da técnica de varredura-z por reflexão, visando o estudo de efeitos térmicos em amostras que possuem coeficientes de absorção muito grandes. Extensões à técnica, tais como: a varredura-z resolvida no tempo e varredura-z resolvidas em freqüência puderam ser aplicadas para medir efeitos térmicos, pois estes são relativamente lentos nos materiais que medimos (água, polímero e vidro). Das componentes linear e quadrática da evolução temporal da transmitância, ou, da segunda componente de Fourier de curvas obtidas em duas freqüências, pode-se extrair parâmetros térmicos como: a capacidade térmica por unidade de massa e a difusividade térmica. Propriedades térmicas são de grande interesse na usinagem de peças, e em estudos sobre tensões estruturais e novos materiais. Pela teoria aqui desenvolvida, dada as constantes térmicas, é possível distinguir os efeitos térmicos e eletrônicos nas amostras que apresentam os dois. / The Z-Scan technique is the most popular one for the determination of the nonlinear index of refraction (n2) of transparent media. In this work we present a theoretical analysis and results of the reflection z-scan technique, aiming the research of thermal effects in highly absorbing materials. Extensions of the technique, such as the time resolved z-scan and the frequency resolved z-scan could be applied to measure thermal effects because they are relatively slow in the materials that we have measured (water, polystyrene and glass). From the linear and quadratic terms of the transmittance time evolution, or, from the second Fourier component of curves obtained in two frequencies, one can extract thermal parameters like: the heat capacity per unit mass and the thermal diffusion coefficient. Thermal properties are of great interest in the manufacture of pieces, and in the study of structure strains and new materials. By the theory presented here, if thermal constants are given, one can distinguish between thermal and electronic effects in samples that present both.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-12-08T17:00:54Z No. of bitstreams: 1 felixsoaresdelimaneto.pdf: 3304649 bytes, checksum: 1cb4641ba963788c0c4b2143b23a8c5d (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-12-22T11:34:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 felixsoaresdelimaneto.pdf: 3304649 bytes, checksum: 1cb4641ba963788c0c4b2143b23a8c5d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-22T11:34:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 felixsoaresdelimaneto.pdf: 3304649 bytes, checksum: 1cb4641ba963788c0c4b2143b23a8c5d (MD5) Previous issue date: 2011-11-28 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho foram estudados vidros borossilicatos dopados com nanopartículas de enxofre e íons de Er+3 com o objetivo de determinar a difusividade térmica do sistema vítreo (SNABP), através da técnica de Espectroscopia de Lente Térmica. As propriedades espectroscópicas de tais amostras foram investigadas por meio das medidas de absorção _óptica na região espectral de 400 a 2000 nm. A caracterização das propriedades termo- _ópticas foram realizadas por meio da espectroscopia de Lente Térmica de feixe duplo no modo descasado com excitação em 50mW a 3W. Verificou-se que a difusividade térmica diminuiu quando a matriz SNABP foi dopada com nanocristais de PbS e íons Er3+. Com o tratamento térmico, a amostra SNABP Er manteve a menor difusividade praticamente em todos os tempos. Os resultados foram discutidos em termos de transporte de calor por fônons, onde a redução da difusividade térmica observada foi analisada considerando a diminuição do livre caminho médio dos fônons devido aos efeitos de espalhamento. / In this work we studied borosilicate glasses doped with nanoparticles of sulfur and Er3+ ions in order to determine the thermal diffusivity of the glassy system (SNABP), using the thermal lens technique. The spectroscopic properties of these samples were investigated by measuring absorption in the optical spectral region from 400 to 2000nm. The characterization of the thermo-optic properties was performed by thermal lens tecniqueby with excitation at 50mW to 3W. It was found that the thermal difusivity decreased when the SNABP matrix was doped with PbS nanocrystals and Er3+ ions. Thermal treatment of the SNABP samples reduced the thermal difusivity. The results were discussed in terms of heat transport by phonons, where the observed reduction in thermal diffusivity was analyzed considering the decrease in the mean free path of phonons due to the scattering effects.

Neste trabalho foi desenvolvido um novo método voltado para a caracterização de lentes térmicas em materiais fotônicos, utilizados como meios ativos no desenvolvimento de lasers. Este método baseia-se em interferometria por padrão de speckle eletrônico (ESPI), utilizando dois lasers de diodo multímodo sintonizados a diferentes freqüências. Com o ajuste desta diferença, foi possível escolher uma resolução apropriada para medirmos as variações geradas no raio de curvatura da frente de onda, relacionados ao efeito térmico. Para os nossos experimentos escolhemos uma amostra vítrea de aluminato de cálcio dopado com 4% de érbio; e potências de bombeio incidentes de até 1,76 mW do laser de bombeio. Os lasers de diodo foram sintonizados para ter um intervalo de contorno por volta de 120 m. Com o aumento da potência absorvida pela amostra, observamos a diminuição da curvatura da frente de onda incidente na CCD, devido ao aumento da potência da lente térmica gerada. Através de uma análise paraxial dos feixes, foi feita uma aproximação para obtermos os valores das lentes para cada configuração, apresentando comprimentos focais de 131,39 mm a 42,76 mm. / In this work we will develop a new method focused on the caracterization of thermal lenses effect in photonic materials used as active media in lasers design. This method is based on electronic speckle pattern interferometry (ESPI) using two multimode diode lasers tuned to different frequencies. Adjusting this difference we can achieve an appropriate resolution to measure the variability generated within the curvature radius of the wavefront due to thermal lens effect. For our experiments we chose a vitreous sample of calcium aluminate doped with 4% erbium and incident pump powers ranging to 1.76mW. The diode lasers were tuned to have a contour interval of around 120m. With addition in power absorbed by the sample, we observed a decrease in the curvature radius incident on the camera due to increased power of the thermal lens generated. Through a paraxial of the wavefront, an approach was made to obtain the values of the lenses for each configuration, with focal lengths ranging from 131.39 mm to 42.76 mm.

A eficácia de métodos convencionais de transmissão, utilizados para medir absorção de materiais altamente transparentes, é geralmente limitada pela reflexão e espalhamento de luz. A espectroscopia de Lente Térmica, por outro lado, não é sensível a esses fenômenos, e tem sido amplamente usada na determinação de baixas absorções ópticas. Neste trabalho, estudamos uma configuração de Lente Térmica de duplo feixe (onda contínua cw), desenvolvida recentemente, e suas aplicações. Essa configuração otimiza a técnica de Lente Térmica, e aumenta significativamente a sensibilidade de medida. Foram realizados alguns cálculos computacionais e testes experimentais dessa configuração, e os resultados foram comparados com os de outra configuração, tradicionalmente utilizada, denominada de feixe duplo no modo-descasado. Várias aplicações foram feitas para líquidos e sólidos. Como resultado, obtivemos o espectro de absorção da água pura entre 350 e 528 nm, que indicou um valor mínimo de aproximadamente 1,5 &#8226 10-5 cm-1 em torno de 380 nm, que é mais baixo do que todos os valores da literatura. Coeficientes tão baixos quanto 2 &#8226 10-7 cm-1 podem ser medidos para a água, com 1W de potência, utilizando essa configuração otimizada. Estimamos um limite de detecção de ~ 6 &#8226 10-9 cm-1 (P = 1 W) para o solvente CCl4, que corresponde (até onde sabemos) ao menor valor já encontrado na literatura para líquidos, utilizando-se laser cw. Quanto à detecção de traços de impurezas, o limite para o Cr (III) em solução aquosa foi de ~ 40 ppb (ng/mL) em 514 nm, que corresponde a aproximadamente metade da concentração máxima ideal de Cr (III) em águas potáveis e naturais. Foram obtidos alguns resultados preliminares para a variação do caminho óptico com a temperatura (ds/dT), em sólidos com diferentes geometrias. Para a sílica fundida (quartzo vítreo) Suprasil, determinamos um limite superior para o coeficiente de absorção, cujos valores, 1 &#8226 10-6 cm-1 (em 493 nm) e 1 &#8226 10-5 cm-1 (em 355 nm), também são menores do que os resultados da literatura nessa região do espectro. A alta sensibilidade da técnica permitiu obter a absorção, em 1064 nm, das matrizes de materiais laser dopados com Nd3+, sendo (1,8 &#177 0,1) &#8226 10-3 cm-1 para o vidro Q-98 (Kigre), e (5 &#177 1 &#8226 10-4 cm-1 para o cristal Nd:YAG. Realizamos também medidas de eficiência quântica de fluorescência em nanocristais semicondutores (CdSe/ZnS) suspensos em THF e tolueno, com resultado aproximadamente 5 vezes mais preciso do que o obtido por técnica convencional de fluorescência. As principais vantagens da configuração otimizada, em relação à tradicional, são: um procedimento experimental simples, boa precisão nas medidas de difusividade térmica e, principalmente, a alta sensibilidade da técnica. As desvantagens são: um tempo de medida mais longo, e a necessidade de amostras maiores. / The efficiency of conventional transmission methods used to measure absorption of hightransparent materials is usually limited by light scattering and reflection. On the other hand, Thermal Lens spectroscopy is insensible to such phenomena and has been widely applied to determinate low optical absorptions. In this thesis, we have studied a recently developed dualbeam (continuous wave - cw) Thermal Lens configuration as well as its practical applications. This configuration optimizes the technique and significantly improves the measurement sensitivity. Some computational calculations and experimental tests of this approach were carried out. The results were compared with those obtained using a traditional configuration, named Mode-mismatched Dual-beam Thermal Lens. Several applications were made for liquids and solids. As a result, we obtained the absorption spectrum for pure water in the range of 350 to 528 nm, which indicated a minimal value of approximately 1,5 &#8226 10-5 cm-1 around 380 nm, that is lower than those found in literature. Absorption coefficients as small as 2 &#8226 10-7 cm-1, can be measured for water, using 1W of excitation power, with this optimized configuration. We have estimated a detection limit of ~ 6 &#8226 10-9 cm-1 (P = 1 W) for CCl4 solvent, which corresponds (to the best of our knowledge) to the smallest value found in the literature for liquids using cw laser. With regard to the chemical trace analysis, the detection limit was ~ 40 ppb (ng/mL) at 514 nm for Cr (III) in aqueous solutions, which is nearly half of the maximum desired Cr (III) concentration in drinking and natural waters. Some preliminary results for the temperature coefficient of the optical path length (ds/dT) were obtained at solids with different geometries. For the fused-silica (vitreous quartz) Suprasil, we have determined an upper limit for the absorption coefficient, whose values, 1 &#8226 10-6 cm-1 at 493 nm, and 1 &#8226 10-5 cm-1 at 355 nm, also are lower than the values found in literature in this spectrum region. The high sensitivity of the technique allowed us to measure the absorption (at 1064 nm) of matrices of Nd3+ doped laser materials: (1,8 &#177 0,1) &#8226 10-3 cm-1 for Q-98 glass (Kigre), and (5 &#177 1) &#8226 10-4 cm-1 for Nd:YAG crystal. We carried out as well measurements of fluorescence quantum yield of semiconductor nanocrystals (CdSe/ZnS) suspended in THF and toluene solvents, whose result was approximately 5 times more accurate than that obtained with the conventional fluorescence technique. The main advantages of the optimized configuration are: a simple experimental procedure, a good accuracy for thermal diffusivity measurements, and most important the high sensitivity of the technique. The drawbacks are: a longer time of measurements, and the requirement of larger samples.

Neste trabalho estudamos as propriedades térmicas e óticas de íons emissores usando as técnicas de lente térmica e z-scan, resolvidas no tempo. Foram obtidos o espectro fototérmico de lente térmica de amostras dopadas com Yb3+ e diversos outros parâmetros fototérmicos. Foi também realizado um estudo dos efeitos da saturação da não linearidade ótica sobre a determinação das propriedades eletrônicas em sólidos dopados com Cr3+, utilizando a técnica de z-scan. A seguir a mesma técnica foi aplicada na obtenção do parâmetro de upconversion em materiais dopados com Nd3+ e Cr3+ (com excitação ressonante e não ressonante ao nível laser emissor). Empregando a integral de difração foram investigados os efeitos do processo de upconversion Auger sobre a refração não linear. Os resultados experimentais e numéricos mostraram uma excelente concordância. Também foi investigado o comportamento temporal da população do nível emissor na fase de excitação, demonstrando assim uma forma alternativa de obter o parâmetro de upconversion. Finalmente, usando a técnica de z-scan obtivemos a forma de linha da não linearidade ótica de uma amostra dopada com Yb3+ onde demonstramos que a contribuição mais importante para a não linearidade do íon advém de transições no UV, mesmo estando o íon sob excitação ressonante ao nível emissor. / In this work we have studied the thermal and optical properties of emitters ions by using the thermal lens and z-scan time resolved techniques. It was obtained the thermal lens photothermal spectra of Yb3+ doped samples, and several other photothermal parameters. Also, it was done a study on the optical nonlinearity saturation effects over the determination of the optical properties in Cr3+ doped solids, using the z-scan technique. In the sequence the same technique was used in order to obtain the upconversion parameter in Nd3+ and Cr3+ doped materials (with excitation resonant and non resonant to the emitter level). Employing the diffraction integral, the effects of Auger upconversion process on the nonlinear refraction were investigated. The experimental and numerical results agree very well. It was also investigated the temporal behavior of the emitter level population during the excitation process, showing an alternative way to obtain the upconvertion parameter. Finally, by using the z-scan technique we have obtained the optical nonlinear lineshape of a Yb3+ doped sample, and demonstrated that the major contribution to the optical non linearity arises from the UV transitions, even when the emitter level of the ion is under resonant excitation.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novas instrumentações baseadas em efeitos fototérmicos para o estudo de interfaces sólido-líquido e líquido-gás, incluindo no último caso o efeito de surfactantes. O trabalho está dividido em capítulos, cada um enfocando o desenvolvimento e/ou aplicação de uma nova técnica. O Capítulo I apresenta uma introdução aos fenômenos fototérmicos e desecreve a construção de instrumentos clássicos de Lente Térmica (LT) nas configurações de simples e duplo feixe. Interfaces sólido-líquido foram estudadas nos capítulos II-IV usando variações da instrumentação clássica de LT. Um novo sinal fototérmico foi caracterizado, indicando a formação de uma lente térmica invertida na interface. Experimentos de varredura-z na configuração por reflexão foram usados para determinar a mudança no índice de refração da interface próximo ao ângulo crítico, e uma metodologia similar foi utilizada para a medida da difusividade térmica de amostras opacas. Nos capítulos V-VII, a deformação de superfícies líquidas foi estudada pelo efeito Marangoni induzido por laser e pela geração de ondas capilares. A transferência de calor pela interface líquido-gás foi monitorada por Deflexão Fototérmica Transversal. Em todos os casos, a influência de surfactantes foi estudada pela formação de uma monocamada na superfície dos líquidos. Observou-se que uma pequena quantidade de surfactante é capaz de cessar a movimentação de líquidos induzida por gradientes de tensão superficial e aumentar significativamente a transferência de calor pela interface. Os resultados indicam uma correlação entre as transições de fase das monocamadas e a atenuação da deformação superficial bem como o aumento na transferência de calor. Finalmente, o capítulo VIII apresenta uma coleção de trabalhos que derivaram dos estudos relacionados com as instrumentações desenvolvidas. / This work presents the development of new instrumentations based on photothermal phenomena to study solid-liquid and liquid-gas interfaces, including in the latter the effect of surfactants. The work is divided into chapters, each one focusing on the development and/or application of a new technique. Chapter I presents an introduction to photothermal phenomena and describes the construction of classical Thermal Lens (TL) instruments in the single and double-beam configurations. Solid-liquid interfaces were studied in chapters II-IV using variations of the classical TL instrumentation. A new photothermal signal was characterized, indicating the formation of an inverted thermal lens at the interface. Z-scan experiments in the reflection configuration were used to determine the change in the refractive index of an interface close to the critical angle, and a similar methodolody was used to measure the thermal diffusivity of opaque samples. In Chapters V-VII, the deformation of liquid surfaces was studied by laser-induced Marangoni effect and the generation of capillary waves. Heat transfer through the liquid-gas interface was monitored by Transverse Photothermal Deflection. In all cases, the influence of surfactants was studied by forming a monolayer on the surface of the liquids. It was observed that a tiny amount of surfactants was able to cease the motion of liquid induced by surface tension gradients and to increase significantly the heat transfer through the interface. The results indicate a correlation between phase transitions of the monolayers and the attenuation of the surface deformation as well as the increase in the heat transfer. Finally, chapter VIII is a collection of other works that derived from the studies related to the instrumentations developed.