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medição baseado na técnica do Z-Scan

O interesse na descoberta de materiais que possuem variações não lineares é, hoje em dia, muito grande. Tal interesse deve-se principalmente à constante procura de novos materiais que permitam desenvolver novas aplicações ou melhorar algumas já existentes, como por exemplo, a protecção de sensores ópticos, ou o aperfeiçoamento de absorvedores saturáveis [35].

No entanto as técnicas disponíveis, bem como o conhecimento adquirido sobre alguns materiais orgânicos, nomeadamente em relação às suas não linearidades, são ainda relativamente insuficientes tendo em conta as necessidades actuais. Como tal, o desenvolvimento de compostos sintéticos que possam substituir os compostos orgânicos é um campo de estudo com muitas lacunas a preencher.

A técnica de Z-scan, que poderá ser descrita de um modo simplificado como uma técnica de varrimento longitudinal, é um método que permite determinar rapidamente as propriedades não lineares de variados materiais em diversos estados, tais como soluções, interfaces, filmes, cristais, vidros, etc. Essa técnica permite medir, com extremo rigor, as mudanças do índice de refracção bem como as mudanças na absorção óptica, em função da potência do sinal [36].

Um dos factores que levou à rápida aceitação da técnica do Z-scan na comunidade científica, nomeadamente no campo da óptica, foi a facilidade de interpretação dos resultados. Em muitos casos, pode-se determinar o coeficiente de absorção, bem como a mudança no índice de refracção, sem que seja necessário recorrer a análises computacionais dos dados obtidos, bastando somente uma interpretação gráfica dos resultados.

Pretendeu-se, no início do trabalho desta tese de Mestrado, desenvolver um protótipo de um sistema de medição que utilizasse a técnica do Z-scan, incorporando no esquema um laser em fibra, aproveitando assim as vantagens desse tipo de dispositivo, em termos de estabilidade e facilidade de operação. No entanto e após várias tentativas e constantes fracassos na construção do laser em fibra, optou-se por abandonar este trabalho.

6.6.1 A TÉCNICA DO Z-SCAN

A técnica do Z-scan baseia-se no facto de um feixe óptico, com perfil espacial gaussiano, ao se propagar através de um meio não linear modificar, de forma não homogénea, o índice de refracção do material. Por outras palavras, as regiões do material atingidas pela parte mais intensa do feixe (centro do feixe) irão sofrer uma maior variação no índice de refracção, em relação às regiões mais periféricas. Este fenómeno de variação espacial do índice de refracção faz com que o meio se comporte como uma lente divergente, se n2<0 ou convergente se n2>0, em que n2 representa a componente não linear do índice de refracção [37,36].

- 128 - Desta forma a técnica de varrimento longitudinal, denominada de Z-scan, é uma técnica da espectroscopia não linear que faz uso deste efeito de auto-focalização ou auto-desfocalização de um feixe de luz intenso, à medida que este se propaga por um meio não linear [38]. A técnica consiste basicamente na translação, ao longo da direcção de propagação da luz (direcção Z), de uma amostra, na vizinhança do plano focal de uma lente, que é utilizada para focar o feixe de luz proveniente de um laser.

A figura seguinte (Fig. 6.29), ilustra um esquema típico de montagem de um sistema de medida que utiliza a técnica do Z-scan.

Fig. 6.29 – Técnica do Z-scan. Esquema de montagem.

À medida que a amostra é transladada, a transmissão da luz _{( ) através de uma fenda} situada no campo distante é monitorizada por um fotodetector. A transmitância, o raio de abertura da fenda ( a) e a cintura do feixe na posição da fenda ( a), no regime de baixas potências relacionam-se através da seguinte expressão [35]:

= 1 − ‰ C å æ çL èq éèq ê ë ì í (7.1)

Ao realizar-se a transladação da amostra ao longo do eixo Z observa-se uma variação da intensidade luminosa que irradia a partir de uma determinada região da amostra. Desta forma, as alterações do valor da transmitância em função da posição da amostra significam alterações em função da intensidade. Note-se que a relação entre a posição e a intensidade podem ser analisada de acordo com a teoria de propagação linear de feixes gaussianos.

Naturalmente quanto mais intenso for o laser, mais fácil será de se observar esse efeito. Por isso decidiu-se utilizar um laser em fibra, pulsado, que seria capaz de gerar impulsos curtos e muito intensos [39].

6.6.2 PROCEDIMENTO

A primeira fase da montagem passava pela construção de um laser com fibra dopada com Itérbio, pulsando graças à presença de um absorvedor saturável na concavidade.

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Fig. 6.30 - Esquema da montagem do laser em fibra óptica.

Como se pode observar pela figura anterior, fez-se uma fusão do pigtail que fornecia maior potência do WDM a um pedaço de fibra dopada com Itérbio. A radiação emitida pela outra ponta da fibra dopada era depois colimada e em seguida focada, no absorvedor saturável que seria colocado no suporte, que se encontra no lado esquerdo do suporte metálico, representado na figura anterior por um rectângulo preto.

Pretendia-se assim que a luz emitida pela fibra fosse “afectada” pelo absorvedor saturável, voltando a entrar na fibra dopada e propagando-se em direcção ao espelho em anel, que reflectiria a maior parte de volta para o absorvedor, deixando apenas uma pequena parte sair da cavidade. Essa saída encontrava-se ligada ao OSA. No entanto, a tarefa de alinhamento das lentes de colimação e de focagem, e do absorvedor demonstrou ser um obstáculo demasiado difícil de ultrapassar, na medida em que nenhum aumento de potência foi registado no OSA, após semanas de tentativas de alinhamento. Várias técnicas foram utilizadas de forma a tentar ultrapassar esse obstáculo, nomeadamente, o corte da ponta da fibra dopada (de modo a que o corte estivesse perfeito), o refazer das fusões entre o WDM e a fibra dopada, o corte do espelho óptico de modo a que numa das suas extremidades fosse colocado o OSA (de modo a ter-se uma maior sensibilidade no alinhamento da fibra dopada), entre outras.

Após inúmeras tentativas de alinhamento e repetidos fracassos, o comprimento da fibra dopada foi gradualmente diminuindo (devido aos constantes corte, fusões e se alguns acidentes de trabalho), até se tornar inútil para o trabalho a desenvolver. Como tal e uma vez que não era possível obter comercialmente, em tempo útil, mais um pedaço dessa fibra, optou-se por abandonar este trabalho.

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