In this thesis, we investigate the nonlinear optical properties of four different physical
systems: tellurite glasses, castor oil, ionic liquids and colloids of gold nanoparticles. Using Zscan
and I-scan techniques, it was possible to determine the values of the electronic (n2
e) and
thermal (n2
t) contributions of nonlinear refractive index of these systems as well as evaluating
their respective thermo-optical coefficients (dn/dT). We use the I-scan technique to
characterize five tellurite glass samples with different compositions. In this experiment we
employ a Ti:sapphire laser operating in the modelocked regime, tuned at , delivering
pulses, with a repetition rate that was controlled by a pulse selector. These
glasses presented an ultra-fast self-focusing nonlinearity. The figure of merit
810 nm
200 fs 1kHz
max 0 W= Δn λα
was evaluated, and the condition was obtained for four of the five studied samples,
displaying the potentiality of these glasses for ultra-fast all-optical switching applications, for
example. Castor oil is a natural organic compound with a wide range of applications in
industry. In the nanotechnology field, this oil has been exploited as very efficient dispersant
and stabilizer agent for metallic gold nanoparticles in colloidal systems. However, a lack of
data in literature concerning nonlinear optical properties of this material exists. In this work,
we use the Z-scan technique to measure the nonlinear optical response of castor oil for laser
excitation at 514 and 810 nm. In the visible region, the measurements had been carried out in
the CW regime, using an Argon laser. In the infrared region, a Ti:sapphire laser, operating in
the modelocked regime, producing pulses of 200 fs, with low (1 kHz) and high (76 MHz)
repetition rate was employed instead. The castor oil presented a self-defocusing nonlinear
refraction for both the laser wavelengths. The influence of the electronic and thermal
contributions for nonlinearity was evaluated and the results indicate that the thermal effects
are the main responsible for the observed nonlinear refraction. The thermo-optical coefficient
( ) of this compound was also measured for both wavelengths. We observe that castor
oil thermo-optical coefficient is approximately an order of magnitude larger for the excitation
tuned at 514 nm than at 810 nm. The nonlinear optical properties of two kinds of ionic liquids,
BMI.BF4 and BMI.PF6, had been investigated. These materials are organic salts that present a
low melting temperature and negligible vapor pressure. Although they have interesting
physical-chemistry properties, and have been used in several applications, their nonlinear
optical properties had been little investigated. In this work, we use the Z-scan technique at
W > 0.27
dn / dT
514 nm and . Both ionic liquids displayed high self-defocusing nonlinearity, of
thermal origin. We observed that the change of anion by anion modify the optical
properties of these compounds. The ionic liquids had also presented a dispersion behavior in
their thermo-optical coefficients in the spectral range studied. Although thermo-optical
nonlinearities are a problem for the development of ultra-fast photonic devices, they can
present a nonlocal character as a consequence of the process of heat conduction. Nonlinear
effects in nonlocal media have been investigated in diverse branches of the physics, in
particular in phenomena such as light pulses nonlinear propagation, as well as in generation
and interaction of spatial solitons. Thus, these results suggest that castor oil and ionic liquids
are promising candidates for investigation of nonlinear effects in nonlocal media. In the
characterization of the colloidal systems of gold nanoparticles dispersed in castor oil, we
evaluate the nonlinear refractive index, nonlinear absorption coefficient, as well as the
thermo-optical coefficient in function of the filling factor f. Using Z-scan technique, for the
laser excitation tuned at , we observe that the colloids presented an ultra-fast selfdefocusing
refractive nonlinear response. Using the generalized Maxwell-Garnett model for
composite materials it was possible to explain the behavior of the nonlinear refractive index
of the colloid as a function of the filling factor, as well as estimate the value of the real part of
the gold nanoparticles third-order nonlinear susceptibility. We also observe that the presence
of gold nanoparticles dispersed in castor oil increased the absolute value of the linear
absorption coefficient, the nonlinear refraction index of thermal origin and the thermo-optical
coefficient. Our results indicate that the presence of gold nanoparticles modifies significantly
local and nonlocal nonlinearities of a colloidal system. Moreover, the amount of nanoparticles
is an extremely important factor for the development of new nanostructured materials aiming
ultra-fast optical and nonlocal applications.
810 nm
−
4 BF −
6 PF
800 nm / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Nesta tese, investigamos as propriedades ópticas não lineares de quatro sistemas físicos distintos: vidros teluretos, óleo de mamona, líquidos iônicos e colóides de nanopartículas de
ouro. Utilizando as técnicas de varredura Z (Z-scan) e varredura de intensidade (I-scan) foi possível determinar os valores das contribuições de origem eletrônica (n2e) e térmica (n2t) do índice de refração não linear dos sistemas estudados, bem como avaliar os seus respectivos
coeficientes termo-ópticos (dn/dT). Usamos a técnica de varredura de intensidade para caracterizar cinco amostras de vidros teluretos com diferentes composições. Neste
experimento utilizamos um laser de Titânio de Safira operando no regime modelocked, sintonizado em , emitindo pulsos de de duração, com a taxa de repetição ajustada em através de um seletor de pulsos. Os vidros apresentaram uma não
linearidade auto-focalizadora ultra-rápida. A figura de mérito
810 nm 200 fs 1 kHz
max 0 W= Δn λα foi avaliada, ea condição foi obtida para quatro das cinco amostras estudadas, demonstrando a
potencialidade destes vidros para aplicações em chaveamento totalmente óptico ultra-rápido, por exemplo. O óleo de mamona é um composto orgânico natural com uma ampla gama de aplicações na indústria. No campo da nanotecnologia, este óleo tem sido explorado como um
agente dispersante e estabilizante muito eficiente para sistemas coloidais de nanopartículas metálicas de ouro. Entretanto, existe uma carência de dados na literatura acerca das propriedades ópticas não lineares deste material. Neste trabalho, utilizamos a técnica de varredura Z para medir a resposta óptica não linear do óleo de mamona para excitações em 514 nm e 810 nm. Na região visível, as medidas foram realizadas no regime CW, utilizando um laser argônio. No infravermelho, um laser de Titânio de Safira, operando no regime modelocked, produzindo pulsos de , com baixa ( ) e alta ( ) taxa de repetição foi utilizado. O óleo de mamona apresentou uma refração não linear autodesfocalizadora,
em ambos os comprimentos de onda. A influência das contribuições eletrônica e térmica para a não linearidade medida foi avaliada e os resultados obtidos
indicam que os efeitos térmicos são os principais responsáveis pela refração não linear observada. O coeficiente termo-óptico (W > 0,27 200 fs 1kHz 76 MHz dn dT ) deste composto também foi medido para os dois comprimentos de onda. Observamos que o dn dT do óleo de mamona é aproximadamente uma ordem de magnitude maior para a excitação sintonizada em 514 nm
que em 810 nm. As propriedades ópticas não lineares de dois tipos de líquidos iônicos,
BMI.BF4 e BMI.PF6, também foram investigadas. Estes materiais são sais orgânicos que se
caracterizam por apresentar uma baixa temperatura de fusão e pressão de vapor desprezível.
Apesar de possuir propriedades físico-químicas interessantes, e serem usados em diversas
aplicações, suas propriedades ópticas não lineares foram pouco investigadas. Neste trabalho,
usamos a técnica de varredura Z para excitação em 514 nm e 810 nm. Ambos os líquidos
iônicos apresentaram uma grande não linearidade auto-desfocalizadora, de origem térmica.
Observamos que a mudança do ânion pelo ânion modifica as propriedades ópticas
destes compostos. Os líquidos iônicos também apresentaram uma dispersão nos seus
coeficientes termo-ópticos no intervalo espectral estudado. Apesar de ser um problema para o
desenvolvimento de dispositivos fotônicos ultra-rápidos, não linearidades termo-ópticas
podem apresentar um caráter de não localidade como uma conseqüência do processo de
condução de calor. Efeitos não lineares em meios não locais vêm sendo abordados em
diversos ramos da física, em particular em fenômenos de propagação não linear de pulsos de
luz, e na geração e interação de sólitons espaciais. Os resultados obtidos sugerem que tanto o
óleo de mamona, quanto os líquidos iônicos são candidatos promissores para investigação de
efeitos não lineares não locais. Na caracterização dos sistemas coloidais de nanopartículas de
ouro dispersas em óleo de mamona avaliamos o índice de refração não linear, coeficiente de
absorção não linear, bem como o coeficiente termo-óptico em função do fator de
preenchimento f. Fazendo uso da técnica de varredura Z, para o laser de excitação sintonizado
em , observamos que os colóides apresentaram uma resposta refrativa não linear autodesfocalizadora
ultra-rápida. Utilizando o modelo de Maxwell-Garnett generalizado para
materiais compostos foi possível explicar o comportamento do índice de refração não linear
do colóide em função do fator de preenchimento, bem como estimar o valor da parte real da
susceptibilidade não linear de terceira ordem das nanopartículas de ouro. Observamos
também que a presença de nanopartículas de ouro dispersas no óleo de mamona aumentou o
valor absoluto do coeficiente de absorção linear, do índice refração não linear de origem
térmica e do coeficiente termo-óptico. Nossos resultados indicam que a presença de
nanopartículas de ouro altera significativamente as respostas não lineares locais e não locais
de um sistema coloidal. Desta forma, a quantidade de nanopartículas é um fator extremamente
importante para o desenvolvimento de novos materiais nanoestruturados visando aplicações
ópticas tanto ultra-rápidas, quanto não locais.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.repositorio.ufal.br:riufal/1013 |
| Date | 13 June 2008 |
| Creators | Souza, Rogerio Fernandes de |
| Contributors | Hickmann, Jandir Miguel, http://lattes.cnpq.br/0235913656361156, Fonseca, Eduardo Jorge da Silva, FONSECA, E. J. S., Meneghetti, Mario Roberto, MENEGHETTI, M. R., Cunha, Frederico Guilherme de Carvalho, CUNHA, Frederico Guilherme de Carvalho, Dantas, Noelio Oliveira, DANTAS, N. O. |
| Publisher | Universidade Federal de Alagoas, BR, Física geral; Física teórica e computacional; Mecânica estatística; Ótica; Ótica não linear; Proprie, Programa de Pós-Graduação em Física da Matéria Condensada, UFAL |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFAL, instname:Universidade Federal de Alagoas, instacron:UFAL |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | bitstream:http://www.repositorio.ufal.br:8080/bitstream/riufal/1013/1/Tese_RogerioFernandesdeSouza_Completa_2008.pdf, bitstream:http://www.repositorio.ufal.br:8080/bitstream/riufal/1013/2/Tese_RogerioFernandesdeSouza_Completa_2008.pdf.txt |
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