Neste trabalho investigamos o comportamento da técnica de varredura z no caso onde a fase do campo elétrico se afasta do perfil Gaussiano devido a saturação da não-linearidade óptica. A teoria usual da varredura z, baseada no método da decomposição Gaussiana, não pode descrever os resultados obtidos com os bem caracterizados absorvedores saturáveis com tempos lentos de resposta (milisegundos): Al2O3:Cr3+ (rubí), Beal2O4:Cr3+ (alexandrita) e GdAlO3: Cr3+ (aluminato de gadolínio dopado com cromo). Este objetivo pode ser alcançado por meio de uma teoria baseada na transformada de Hankel do campo elétrico que se propaga através da amostra e pela inclusão da saturação da fase nesta teoria. O formalismo alternativo também permite a inclusão de outros efeitos como por exemplo, térmico. Como no caso do meio Kerr, o índice de refração não-linear pode ser obtido da medida da diferença entre o pico e o vale da transmitância, na determinação da refração não-linear, ou da transmitância de pico, na determinação da absorção não-linear. Em relação a parte experimental, é introduzida uma técnica de varredura z com um único feixe resolvida no tempo para caracterizar, com radiação cw, a refração não-linear dos materiais citados. Devido a eliminação dos efeitos lineares parasíticos, a técnica é capaz de medir distorções de frente de onda tão pequenas quanto N104. A demonstração experimental da técnica alternativa é realizada com um laser de Ar+ com baixa potência e um laser de He-Ne / In this work we investigated the behavior of the Z-scan technique in the case where the phase of the electric field departs from Gaussian due to the saturation of the optical nonlinearity. The usual theory of Z-scan, based on Gaussian decomposition method, cannot describe experimental results obtained with well-characterized chromium-doped saturable absorbers of slow (milisecond) response: Al2O3:Cr3+ (ruby), Beal2O4:Cr3+ (alexandrite) e GdAlO3: Cr3+ (chromium doped gadolinium aluminate). This aim can be accomplished by means of a theory based on the Hankel transform of the electric field passing through the sample and the inclusion of the phase saturation. The alternative formalism also allows the inclusion of thermal effects. As in the case of Kerr media, the nonlinear refractive index can be obtained from the measurement of the transmittance difference between peak and valley, in the refractive case, or of the transmittance peak, in the absorptive case. Concerning to experimental part, a single-beam time-resolved Z-scan is introduced to characterize the nonlinear refraction of the above materials. Owing to the elimination of parasitic linear effects, the technique is able to measure induced wave front as small as N104. We demonstrate this method on several materials using low power Ar+ and He-Ne lasers

Neste trabalho investigamos o comportamento da técnica de varredura z no caso onde a fase do campo elétrico se afasta do perfil Gaussiano devido a saturação da não-linearidade óptica. A teoria usual da varredura z, baseada no método da decomposição Gaussiana, não pode descrever os resultados obtidos com os bem caracterizados absorvedores saturáveis com tempos lentos de resposta (milisegundos): Al2O3:Cr3+ (rubí), Beal2O4:Cr3+ (alexandrita) e GdAlO3: Cr3+ (aluminato de gadolínio dopado com cromo). Este objetivo pode ser alcançado por meio de uma teoria baseada na transformada de Hankel do campo elétrico que se propaga através da amostra e pela inclusão da saturação da fase nesta teoria. O formalismo alternativo também permite a inclusão de outros efeitos como por exemplo, térmico. Como no caso do meio Kerr, o índice de refração não-linear pode ser obtido da medida da diferença entre o pico e o vale da transmitância, na determinação da refração não-linear, ou da transmitância de pico, na determinação da absorção não-linear. Em relação a parte experimental, é introduzida uma técnica de varredura z com um único feixe resolvida no tempo para caracterizar, com radiação cw, a refração não-linear dos materiais citados. Devido a eliminação dos efeitos lineares parasíticos, a técnica é capaz de medir distorções de frente de onda tão pequenas quanto N104. A demonstração experimental da técnica alternativa é realizada com um laser de Ar+ com baixa potência e um laser de He-Ne / In this work we investigated the behavior of the Z-scan technique in the case where the phase of the electric field departs from Gaussian due to the saturation of the optical nonlinearity. The usual theory of Z-scan, based on Gaussian decomposition method, cannot describe experimental results obtained with well-characterized chromium-doped saturable absorbers of slow (milisecond) response: Al2O3:Cr3+ (ruby), Beal2O4:Cr3+ (alexandrite) e GdAlO3: Cr3+ (chromium doped gadolinium aluminate). This aim can be accomplished by means of a theory based on the Hankel transform of the electric field passing through the sample and the inclusion of the phase saturation. The alternative formalism also allows the inclusion of thermal effects. As in the case of Kerr media, the nonlinear refractive index can be obtained from the measurement of the transmittance difference between peak and valley, in the refractive case, or of the transmittance peak, in the absorptive case. Concerning to experimental part, a single-beam time-resolved Z-scan is introduced to characterize the nonlinear refraction of the above materials. Owing to the elimination of parasitic linear effects, the technique is able to measure induced wave front as small as N104. We demonstrate this method on several materials using low power Ar+ and He-Ne lasers

Materiais dopados com o íon trivalente Tb apresentam intensa emissão no verde (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) e fraca na região UV-azul (5D3 → 7Fj , j = 4, 5 e 6). A emissão azul pode ocorrer a partir de excitação direta no UV (emissão Stokes) ou por upconversion (emissão anti-Stokes), após a excitação em 488 nm (excitação ressonante no nível 5D4 a partir do estado fundamental). Nesta dissertação analisamos as propriedades da luminescência do Tb3+ em vidros aluminosilicato de cálcio com baixa concentração de sílica. Para excitação em 325nm, verificou-se que a intensidade da luminescência verde aumenta linearmente com a concentração, enquanto a emissão azul é fortemente reduzida com o aumento da concentração de Tb3+ de 0,5 para 15,0% (% em peso). No caso da excitação em 488 nm, observou-se uma forte saturação das emissões verdes, para intensidades duas ordens de grandeza menores que o esperado. Por meio de um sistema de equações de taxa, mostramos que esse comportamento pode ser explicado pelo mecanismo de absorção do estado excitado (AEE) e, por uma seção de choque de absorção (5D4 → 5D3) aproximadamente duas ordens de magnitude maior do que a do estado fundamental (7F6 → 5D4). Nossos resultados sugerem que a relaxação cruzada envolvendo os níveis 5D4 e 5D3 não é o único mecanismo responsável pela depopulação do nível 5D3 , como tipicamente descrito na literatura. Processos de upconversion por luminescência cooperativa entre íons excitados (5D3: 5D3 ou 5D3: 5D4) e outros mecanismos que envolvem transferência de energia para níveis excitados superiores (4f5d, banda de transferência de carga, matriz hospedeira, defeitos, etc) podem desempenhar um papel significativo neste sistema. Medidas de Z-scan resolvidas no tempo com excitação em 488 nm foram realizadas e não-linearidades de altas ordens foram observadas (n2, n4, etc.). A partir do n2, valores de Δαp e Δσ da ordem de 10-25 cm3 e 10-20cm2 foram calculados, respectivamente. Este valor de Δαp é o mais alto já reportado em materiais dopados com TR, provavelmente devido à baixa energia dos níveis 4f5d para o íon Tb3+. / Trivalent Tb-doped materials exhibit strong emission in the green (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) and weak in the UV-blue (5D3 → 7Fj , j = 4,5 e 6). The blue emission can occur from direct UV excitation (Stokes emission) or by upconversion (anti-Stokes emission) through 488 nm excitation (resonant pump of 5D4 metastable level from the ground state). In this dissertation the luminescence properties of Tb3+ doped low silica calcium aluminosilicate glasses are reported and analyzed. The intensity of green luminescence increases proportionally to the concentration while the blue luminescence is strongly reduced with the increase of Tb3+ concentration from 0.5 up to 15.0 wt%. In the case of 488 nm excitation, a saturation behavior of the green emission is observed at intensities two orders of magnitude smaller than expected for bleaching of the ground state population. Using a rate equation model, we show that this behavior can be explained by an excited state absorption (ESA) from 5D4 to upper levels, with an absorption cross section two orders of magnitude larger than the ground state absorption. The effect of ESA could also be observed by the shortening of the green emission risetime with the increase of pump intensity. We infer that the CR is not the only loss mechanism responsible for the 5D3 depopulation. Cooperative upconversion from a pair of excited ions (5D3:5D3 or 5D3:5D4) and other mechanisms involving upper lying states (4f5d, charge transfer, host matrix, defects, etc.) may play a significant role. Time-resolved Z-scan measurements were also performed at 488 nm high order nonlinearities were observed (n2, n4, etc.). From n2, Δαp and Δσ of the order of 10-25 cm3 and 10-20cm2, respectively, were obtained. This Δαp value is the highest ever reported for a RE doped material, it seems to be due to the low energy value of the 4f5d state in Tb3+.

Apresentamos uma série de novos resultados acerca dos vidros aluminosilicato de cálcio com diferentes concentrações de sílica (7,0 e 34,0% em massa) dopados com o íon Tb3+ (Tb4O7 = 0,05 - 15,0% em massa). A partir de medidas de absorção, excitação, emissão e tempos de decaimento; discutimos detalhadamente os mecanismos de emissão verde e azul do Tb3+ neste sistema vítreo. As emissões na região do azul (nível 5D3) foram analisadas tanto pela excitação direta no UV (emissão de Stokes) quanto por conversão ascendente de energia (emissão anti-Stokes), após a excitação em 488 nm (excitação ressonante com o nível 5D4). Para excitação em 325 nm, verificou-se que a intensidade da luminescência verde aumenta linearmente com a concentração, enquanto a emissão azul é fortemente reduzida com o aumento da concentração de Tb3+. No caso da excitação em 488 nm, observou-se uma forte saturação das emissões no verde, para intensidades duas ordens de grandeza menores que o esperado (Isat = 2,3×106 W/cm2). Por meio de um sistema de equações de taxa, mostramos que esse comportamento pode ser explicado pelo mecanismo de absorção do estado excitado e por uma seção de choque de absorção (5D4 → 5D3) aproximadamente duas ordens de magnitude maior do que a observada na transição 7F6 → 5D4. Espectros de excitação e emissão realizados a baixa temperatura (6 K) evidenciaram a presença de emissões atribuídas à matriz hospedeira. Medidas de Z-scan resolvidas no tempo, com excitação em 488 nm também foram realizadas e nos permitiram calcular a variação da polarizabilidade (Δαp) das amostras. A concentração de sílica apresentou forte influência nas propriedades não lineares aferidas. Para a amostra com menor concentração de sílica (7,0% em massa), o valor de Δαp é aproximadamente 10 vezes maior do que para a amostra com maior concentração de sílica (34% em massa). / We present a series of new results concerning Tb+3 (Tb4O7 = 0,05 - 15,0 wt.%) doped calcium aluminosilicate glasses with different silica concentrations (7.0 and 34.0 wt.%). Through optical absorption, excitation spectra, photoluminescence, and fluorescence decay measurements, the blue and green Tb+3 emission are discussed in detail. Emissions in the UV-blue region (5D3 level) were analyzed by direct UV excitation (Stokes emission) and by upconversion (anti-Stokes emission), resonant excitation with level 5D4 level. For the excitation at 325 nm, the intensity of the green luminescence increases linearly with the Tb+3 concentration. In opposite, the blue emission is strongly reduced with increasing the Tb+3 concentration from 0.5 to 15.0% (wt%). In the case of the 488 nm excitation, strong saturation of the green emissions was observed for pump intensity two orders of magnitude lower than expected (Isat = 2,3×106 W/cm2). By means a rate equations system, we explain this behavior by the excited state absorption and by an absorption cross section (5D4 → 5D3) approximately two orders of magnitude larger than 7F6 → 5D4 transition. Excitation and emission spectra were performed at low temperature (6 K) in the Tb doped LSCAS glass. These spectra showed matrix emission bands. Time-resolved Z-scan measurements were performed (at 488 nm). From these measurements, we determine the polarizability change (Δαp) in Tb doped glasses. The silica concentration presents a great influence on the nonlinear properties measured. The Δαp value in low silica calcium aluminosilicate glass (7.0 wt.%) is approximately 10 times higher than the value determined the sample with a higher silica content (34.0 wt.%).

Materiais dopados com o íon trivalente Tb apresentam intensa emissão no verde (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) e fraca na região UV-azul (5D3 → 7Fj , j = 4, 5 e 6). A emissão azul pode ocorrer a partir de excitação direta no UV (emissão Stokes) ou por upconversion (emissão anti-Stokes), após a excitação em 488 nm (excitação ressonante no nível 5D4 a partir do estado fundamental). Nesta dissertação analisamos as propriedades da luminescência do Tb3+ em vidros aluminosilicato de cálcio com baixa concentração de sílica. Para excitação em 325nm, verificou-se que a intensidade da luminescência verde aumenta linearmente com a concentração, enquanto a emissão azul é fortemente reduzida com o aumento da concentração de Tb3+ de 0,5 para 15,0% (% em peso). No caso da excitação em 488 nm, observou-se uma forte saturação das emissões verdes, para intensidades duas ordens de grandeza menores que o esperado. Por meio de um sistema de equações de taxa, mostramos que esse comportamento pode ser explicado pelo mecanismo de absorção do estado excitado (AEE) e, por uma seção de choque de absorção (5D4 → 5D3) aproximadamente duas ordens de magnitude maior do que a do estado fundamental (7F6 → 5D4). Nossos resultados sugerem que a relaxação cruzada envolvendo os níveis 5D4 e 5D3 não é o único mecanismo responsável pela depopulação do nível 5D3 , como tipicamente descrito na literatura. Processos de upconversion por luminescência cooperativa entre íons excitados (5D3: 5D3 ou 5D3: 5D4) e outros mecanismos que envolvem transferência de energia para níveis excitados superiores (4f5d, banda de transferência de carga, matriz hospedeira, defeitos, etc) podem desempenhar um papel significativo neste sistema. Medidas de Z-scan resolvidas no tempo com excitação em 488 nm foram realizadas e não-linearidades de altas ordens foram observadas (n2, n4, etc.). A partir do n2, valores de Δαp e Δσ da ordem de 10-25 cm3 e 10-20cm2 foram calculados, respectivamente. Este valor de Δαp é o mais alto já reportado em materiais dopados com TR, provavelmente devido à baixa energia dos níveis 4f5d para o íon Tb3+. / Trivalent Tb-doped materials exhibit strong emission in the green (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) and weak in the UV-blue (5D3 → 7Fj , j = 4,5 e 6). The blue emission can occur from direct UV excitation (Stokes emission) or by upconversion (anti-Stokes emission) through 488 nm excitation (resonant pump of 5D4 metastable level from the ground state). In this dissertation the luminescence properties of Tb3+ doped low silica calcium aluminosilicate glasses are reported and analyzed. The intensity of green luminescence increases proportionally to the concentration while the blue luminescence is strongly reduced with the increase of Tb3+ concentration from 0.5 up to 15.0 wt%. In the case of 488 nm excitation, a saturation behavior of the green emission is observed at intensities two orders of magnitude smaller than expected for bleaching of the ground state population. Using a rate equation model, we show that this behavior can be explained by an excited state absorption (ESA) from 5D4 to upper levels, with an absorption cross section two orders of magnitude larger than the ground state absorption. The effect of ESA could also be observed by the shortening of the green emission risetime with the increase of pump intensity. We infer that the CR is not the only loss mechanism responsible for the 5D3 depopulation. Cooperative upconversion from a pair of excited ions (5D3:5D3 or 5D3:5D4) and other mechanisms involving upper lying states (4f5d, charge transfer, host matrix, defects, etc.) may play a significant role. Time-resolved Z-scan measurements were also performed at 488 nm high order nonlinearities were observed (n2, n4, etc.). From n2, Δαp and Δσ of the order of 10-25 cm3 and 10-20cm2, respectively, were obtained. This Δαp value is the highest ever reported for a RE doped material, it seems to be due to the low energy value of the 4f5d state in Tb3+.