Lino Misoguti.

Projeto apoio à realização de eventos ARC/CNPq

O advento dos amplificadores paramétricos ópticos (APO) comerciais, que produzem pulsos de femtossegundo sintonizáveis num amplo range espectral, abriu o caminho para as determinações dos espectros das não linearidades ópticas de materiais. Em especial, neste projeto, estudaremos a dependência espectral das propriedades ópticas não lineares de meios policristalinos, especialmente as de terceira-ordem como a refração não linear (RNL) e a absorção não linear (ANL) por medidas de rotação não linear da polarização elíptica (RNLPE), utilizando pulsos ultracurtos de femtossegundos sintonizáveis. Dentre os vários meios não lineares importantes, estudaremos a família de semicondutores policristalinos de estrutura blenda de zinco pois alguns desses semicondutores apresentam altíssimas não linearidades, mas também, uma interessante inomogeneidade espacial. Medidas preliminares mostraram que os valores de RNL medidas por RNLPE em amostras de seleneto de zinco (ZnSe) e sulfeto de zinco (ZnS), dois semicondutores blenda de zinco bem conhecidos e bastante estudados, são diferentes dependendo das posições de incidência da luz laser, provavelmente relacionada à natureza policristalina dos semicondutores. As janelas de ZnSe e ZnS comerciais são normalmente amostras policristalinas com grãos com 60-100 m de tamanho randomicamente distribuídos dentro da matriz. Os nossos resultados mostram que o ZnSe e ZnS são completamente isotrópicos e anisotrópicos sob o ponto de vista da óptica linear e não linear, respectivamente. Como esse efeito nunca foi reportado na literatura e por se tratar de uma classe importante de meio não linear, pretendemos, neste projeto, estudar em detalhes a origem da inomogeneidade e também determinar os espectros das RNL e das ANL de diferente meios policristalinos levando-se em conta a influência da orientação cristalográfica dos grãos e da polarização da luz laser.

O estudo de não linearidades ópticas tem constantes impulsos devido à contínua sinterização de novos materiais, que necessitam serem caracterizados, e devido ao desenvolvimento de novas e melhores técnicas experimentais, por exemplo. Corantes são importantes materiais não lineares com potencial de estudos e de aplicações em fotônica devido as suas boas interações com a luz e que podem resultar em amplas variedades de efeitos não lineares. Há também um grande interesse em se entender a influência da estrutura molecular nas propriedades ópticas não lineares. Neste sentido, é importante obter o espectro de absorção e da refração não linear e correlacionar com a estrutura molecular e a resposta óptica linear, por exemplo. 
A medida de espectro de absorção já vem sendo realizada com mais frequência que a da refração não linear. Grosso modo, é mais facilidade medir a absorção com relação à refração não linear, quando se usa técnicas experimentais tradicionais, como a varredura-Z (VZ), por exemplo. No entanto, sob o ponto de vista teórico quanto experimental é importante medir ambas as propriedades. Recentemente, desenvolvemos uma nova técnica que permite determinar tanto a refração quanto a absorção não linear de forma simples e precisa de forma que medidas de espectro de refração sejam realizadas mais corriqueiramente. Há outra razão que faz com que medidas do espectro da refração não linear sejam raras. Muitas vezes é difícil discriminar não linearidades de diferentes origens: eletrônica, orientacional e térmica, por exemplo, e que podem se manifestar simultaneamente numa determinada medida. Ou seja, uma correta caracterização de materiais necessita que refrações não lineares de diferentes origens possam ser distinguidas. Portanto, neste trabalho, pretendemos determinar a dependência espectral da refração não linear de soluções de corantes (curva de dispersão) e também identificar diferentes efeitos não lineares explorando duas técnicas experimentais, medidas de rotação não linear da polarização elíptica (RNLPE) e a VZ resolvida em polarização.

O estudo da refração não linear de terceira-ordem de matérias tem grande importância tanto sob o ponto de vista teórico quanto experimental. Teórico, por permitir verificar novos modelos de processos ópticos não linearidades, e experimental, pelo desafio de melhorar cada vez mais a precisão na determinação dos valores das magnitudes de não linearidades, pelo desenvolvimento de novas técnicas de medidas mais precisas e simples, por exemplo. Recentemente, desenvolvemos um método simples e preciso para medir a rotação não linear da polarização elíptica (RNLPE), que é um processo relacionado a não linearidade refrativa de terceira-ordem, utilizando amplificação sensível à fase. Neste contexto, propomos utilizar essa nova técnica de medida da RNLPE para determinar a magnitude e a dispersão da não linearidade refrativa de diferentes meios gasosos confinados em capilares. Neste caso, o uso de capilar tem a função de confinar os gases e, além disso, aumentar o comprimento de interação para compensar a baixa densidade dos mesmos. Para induzir o efeito não linear, pretendemos usar pulsos ultracurtos de femtossegundos (fs) sintonizáveis. Ademais, devido à natureza tensorial da não linearidade óptica refrativa, dependendo do tipo de efeito não linear, simetria do meio ou da polarização do feixe de luz utilizada para a sua medida, diferentes coeficientes de susceptibilidade não linear de terceira ordem podem ser acessados. Portanto, a medida da RNLPE pode ser útil para ajudar a distinguir a origem de diferentes tipos de não linearidades de um determinado meio.

As não linearidades ópticas de terceira ordem de materiais podem ter origens de diferentes mecanismos físicos, dos quais têm diferentes características como: magnitude, tempo de resposta, aplicações, etc. Efeitos de origem térmica, por exemplo, tendem a ser grandes, mas muito lentos para aplicações em dispositivos fotônicos. Por outro lado, efeitos eletrônicos não ressonantes são ultra rápidos mas são muito menores que os efeitos térmicos. Na área de caracterização de novos materiais com potencial para aplicação em fotônica, é muito importante saber não só a(s) magnitude(s) mas também a(s) origem(s) da(s) não linearidade(s). Portanto, novas técnicas experimentais para um estudo mais completo de propriedades ópticas não lineares são bem vindas. Neste projeto propomos o estudo da refração não linear de terceira ordem usando a técnica tradicional de varredura-z e um novo método de determinação de rotação não linear da polarização elíptica. Como veremos, cada uma dessas técnicas permite obter uma particularidade do efeito não linear e cujos resultados em conjunto permitem determinar com maior precisão a magnitude e a origem da não linearidade.

Projeto Temático FAPESP, Processo: 2011/12399-0

Uma característica intrínseca dos lasers de pulsos ultracurtos é a larga banda espectral por eles apresentada. Essa característica vem sendo explorada nos últimos anos para um grande número de aplicações, tanto fundamentais quanto tecnológicas. Dentre essas aplicações, a geração de terceiro harmônico (GTH) com resolução espectral tem sido explorada. Recentemente realizamos uma série de trabalhos envolvendo a GTH em amostras tipo bulks (lâminas de sílica e de vidro óptico) usando a técnica de franjas de Maker resolvida espectralmente com pulsos de femtossegundos. Nestes trabalhos obtivemos uma série de resultados interessantes que demonstraram o potencial da técnica para o estudo de efeitos não lineares de terceira ordem bem como o estudo da dispersão do índice de refração linear. Além disso, observamos efeitos interessantes relacionados ao espectro do terceiro harmônico gerado. Para entender melhor esses efeitos, optamos para uma investigação mais detalhada dos processos não lineares envolvidos na GTH usando a técnica de varredura-z com resolução espectral. A técnica de varredura-z apresenta a vantagem da sua simplicidade e precisão no estudo de efeitos não lineares de terceira ordem. Com a técnica de varredura-z conseguimos entender parte da origem dos efeitos no espectro da GTH, no entanto, há ainda efeitos não lineares que não sabemos sua origem. Por exemplo, variando o parâmetro de Rayleigh observamos que a GTH depende da interface em que ela é gerada. Ou seja, a GTH na superfície de entrada é diferente da superfície de saída. Todos esses estudos foram conduzidos com pulsos no infravermelho (IR) médio (1200 nm <&#61548; < 2000 nm) para que o terceiro harmônico (TH) gerado estivesse no espectro visível do qual dispúnhamos de espectrômetros com resolução espectral suficiente para que o TH gerado pudesse ser resolvido e detectado, na media em que a GTH as franjas espectrais se tornam mais densas na medida em que o comprimento de onda encurta. Os pulsos de laser no IR médio foram gerados por um amplificador paramétrico óptico (APO) bombeado por sistema laser de Ti:safira amplificado. Ou seja, trata-se de um equipamento grande e bastante complexo. Além disso, os feixes de laser em comprimentos de onda no IR médio gerado no APO são de difícil manipulação devido à dificuldade de alinhamento por não serem ?visíveis? a olho nu. Para alinhar esses feixes é necessário usar câmaras IR especiais ou cartões detectores de IR e, dessa forma, dificulta um pouco o trabalho rotineiro nessa região do espectro. Para simplificar e facilitar medidas sistemáticas da GTH resolvida espectralmente é interessante trabalhar com sistemas laser mais simples e em comprimentos de onda mais para o visível, por exemplo, em 800 nm. O feixe de um laser gerado diretamente por um oscilador laser de fs de Ti:safira, por exemplo, em 800 nm é visível a olho nu devido às componentes espectrais que se estendem ao visível. Neste caso, a GTH ocorre por volta de 266 nm. Dessa forma, é possível realizar um experimento de GTH em interfaces diretamente de um laser de TI:safira com o uso de amostras adequadas transparentes no ultravioleta (UV) e espectrômetros de alta resolução no UV. O espectrômetro de alta resolução que dispomos atualmente, o HR4000 não possui resolução suficiente para o espectro UV para as medidas de franjas em que estamos interessados.

Pronex: Fapitec/SE/FUNTEC/CNPq. Processo: 019.203.02723/2009-6

Projeto Equipamentos Multiusuários 3 FAPESP. Processo: 2009/53987-1

Projeto universal/CNPq, Processo: 474211/2008-8

Projeto institutos nacionais de ciência e tecnologia de fotônica. CNPq. Processo: 573016/2008-0.

A utilização de pulsos ultra curtos de laser vem se intensificando nos últimos anos devido ao interesse tanto do ponto de vista de pesquisa básica quanto aplicada. Como conseqüência da larga banda espectral deste tipo de laser, surgiram técnicas de formatação do pulso que permitem, além da otimização do próprio pulso, o controle e manipulação da interação da luz com a matéria. Esta nova linha de pesquisa, ainda emergente mesmo em instituições de pesquisa do exterior, sugere que importantes avanços no controle e entendimento da interação da luz com a matéria possam ser alcançados, permitindo, por exemplo, a obtenção de produtos ou estados moleculares que não são facilmente alcançados convencionalmente. Neste projeto pretendemos implementar a técnica de formatação de pulsos ultra curtos (15 fs, largura de banda ~ 60 nm), e testá-la no processo de geração de segundo harmônico num cristal não linear fino, e na otimização do processo de fluorescência por absorção de dois fótons em uma solução de fluoresceina. A execução desse projeto de pesquisa permitirá a implantação em nosso país dos mais modernos métodos de manipulação e otimização de pulsos ultra-curtos, os quais já vem sendo empregados em instituições de pesquisa no exterior, e que futuramente deverão resultar em importantes contribuições para o entendimento da interação da luz com a matéria.