Como citado anteriormente, o experimento é baseado no efeito Kerr óptico para medidas de n2 e tempo de resposta do material. Nesta tese, a chave Kerr foi utilizada para
ϵϵ
medidas do índice de refração não linear e a dinâmica temporal das amostras do sistema vítreo Pb2P2O7-WO3 (Capítulo V), utilizando o método convencional da “chave Kerr”, introduzido por Duguay em 196986 e implementado por Edilson L. Falcão-Filho em 200487. Todas as medidas e cálculos teóricos foram realizadas pela Dra. Tâmara P. R. de Oliveira, no Departamento de Física da UFPE, e devido a complexidade experimental, que envolve fundamentos teóricos puramente físicos, que fogem da área de química de materiais, a explicação experimental será relatada de forma expositiva com base na descrição feita pela Dra. Tâmara em sua tese88, a qual também utilizou dos resultados de óptica não linear em seu trabalho.
Basicamente, neste método a polarização de um feixe de laser de alta intensidade (feixe forte ou feixe de excitação) é fixada formando um ângulo de 45° com a polarização de um feixe de intensidade mais baixa (feixe fraco ou feixe de prova). Ambos os feixes são focalizados em um material não linear e, quando superpostos espacial e temporalmente, o feixe forte induz uma birrefringência não linear na amostra, o que resulta uma rotação da polarização do feixe fraco. Em outras palavras, quando os feixes passam pela amostra, a polarização do feixe fraco é influenciada pela presença do feixe forte, e uma fração do sinal do feixe fraco é transmitida pelo polarizador e coletada pelo fotodetector, como ilustra a
figura III.12.
Figura III.12 Efeito Kerr óptico. O vetor ࡱሬሬԦf está no plano xy.
Na figura, um polarizador foi fixado (depois da amostra) no percurso do feixe fraco de forma que sua polarização fosse perpendicular à polarização original deste mesmo feixe. Desse modo, uma fração da intensidade do feixe fraco é transmitida pelo polarizador quando os feixes de excitação e de prova encontram-se superpostos. A fração do sinal do feixe fraco transmitida pelo polarizador é coletada por um fotodetector e processada por um amplificador
ϭϬϬ
lock-in ligado a um computador como visto na figura III.13, que mostra o esquema experimental do sistema usado neste trabalho.
Figura III.13 Montagem experimental da “chave Kerr”.
Um laser Ti:safira, operando em 800 nm com taxa de repetição de 76 MHz e duração de pulso de 100 fs, foi usado como fonte de luz. Um divisor de feixes separou o feixe de laser em dois e suas intensidades foram selecionadas a uma razão de 1:10. Esta razão foi controlada pelo conjunto formado por uma placa de Ȝ/2 e um polarizador (P2), posicionado no caminho de propagação do feixe fraco. Outra placa de meia onda (λ/2) foi posicionada após P2 com o objetivo de fixar em 45° o ângulo entre os campos elétricos dos feixes forte e fraco. Um chopper (disco girante com perfurações), operando com uma freqüência de 400 Hz, foi usado para modular o feixe forte, o qual estava associado a uma linha de atraso (controlada por computador), a qual ajustava a superposição temporal dos feixes. O polarizador cruzado P3 permitia a passagem do feixe fraco quando o feixe forte passava pela posição de superposição. No experimento também foi usado um altofalante conectado a uma fonte de 8V, afim de se melhorar a relação sinal-ruído durante as medidas, se fazendo necessário nas medidas de resposta não-linear dos vidros usados neste trabalho.
Existindo um atraso relativo IJ, entre os feixes, o sinal Kerr transmitido através do polarizador cruzado, quando apenas processos eletrônicos contribuem para a dinâmica temporal, é dado por89:
ࡿሺ࣎ሻ ൌ
ାஶࢊ࢚ࡵ
ࢌሺ࢚ሻࡵ
ࡲሺ࢚ ࣎ሻ
ିஶ (Eq. III.11) onde If e IF são as intensidades dos feixes fraco e forte, respectivamente, na razão de
intensidades de 1:10. Quando os pulsos correspondendo a ambos os feixes são obtidos a partir de um mesmo feixe, S(IJ) representa a função de autocorrelação.
ϭϬϭ
O sinal transmitido pela amostra pode ser comparado com o de um material de referência por:
ࣁ ൌ
ࡵ࢚ሺࡸሺࢇሻሻ ࡵ࢚ሺࡸሺ࢘ሻሻൌ ൬
ሺࢇሻࡸሺࢇሻ ሺ࢘ሻࡸሺ࢘ሻ൰
൬
ሺࢇሻ ሺ࢘ሻ൰
ࡵࢌሺࢇሻ ࡵࢌሺ࢘ሻ൬
ࡵࡲሺࢇሻ ࡵࡲሺ࢘ሻ൰
(Eq. III.12) onde os índices (a) e (r) representam os parâmetros da amostra e da referência respectivamente, sendo It a intensidade transmitida e L o caminho óptico. A partir destaequação é possível a determinação do índice de refração do material n2, em relação ao padrão escolhido. Neste trabalho foi utilizado como material de referência o CS2, cujo valor de n2 em 800 nm é de 3,1× 10-19 m2/W90.
Para ܫிሺሻൌ ܫிሺሻ e ܫሺሻ ൌ ܫሺሻ, a equação III.12 se reduz a:
ቀ
ሺࢇሻቁ
ൌ ࣁ ൬
ሺ࢘ሻࡸሺ࢘ሻሺࢇሻࡸሺࢇሻ
൰
ቀ
ሺ࢘ሻቁ
(Eq. III.13) Durante a calibração dos experimentos e em testes preliminares com os materiais estudados, verificou-se a dependência linear de It(L) com a intensidade do feixe fraco e a suadependência quadrática com a intensidade do feixe forte. A figura III.14 ilustra este fato mostrando sinal Kerr para o CS2 contido em uma cubeta de 1 mm de espessura. Este sinal foi medido em pares de intensidade distintos dos feixes fraco e forte, na razão de 1:10 em cada par, como visto na figura III.14a. Cada medida foi feita variando, ao mesmo tempo, a potência de ambos os feixes antes da lente de focalização na amostra por meio de filtros. A partir desses dados, foi traçado um gráfico do tipo “log-log” da amplitude do sinal Kerr em função do tempo de decaimento. Considerando a dependência cúbica de It(L) com a
intensidade do laser (porque os dois feixes tiveram suas potências atenuadas simultaneamente), foi feito um ajuste linear no gráfico para se medir o coeficiente angular da reta obtida, mostrado na figura III.14b. O valor do coeficiente obtido neste caso foi 2,6. Tal valor se aproxima da dependência cúbica justificada pelo uso da equação ࡵ࢚ሺࡸሻ ן ቀࡸ ൗ ቁࡵ
ࢌࡵࡲ (Eq. III.14) na análise dos dados experimentais, que expõe a fração de intensidade do feixe fraco transmitida para o fotodetector79.
ϭϬϮ
Figura III.14 Sinal Kerr para o CS2 para pares de intensidades diferentes dos feixes de excitação e de prova (a) e
amplitude do sinal ¨T em função da intensidade (b).
3. Preparação das preformas
Ambos os tipos de preformas, convencionais e microestruturadas, foram preparadas a partir da fusão dos precursores, seguido do resfriamento em molde de aço inoxidável cilíndrico. No entanto, algumas diferenças experimentais existem para garantir a formação das específicas estruturas.