Produção e caracterização de materiais espalhadores de luz a partir de vidros teluritos dopados com Nd3+ para aplicação em lasers aleatórios. - Câmara, Josivanir Gomes (2020)
O desenvolvimento da fotônica não teria sido possível, sem materiais adequados para a geração, transmissão e manipulação da luz. O surgimento dos lasers foi um dos marcos para o desenvolvimento deste importante campo, que hoje é tido como estratégico para o aumento da competitividade de vários setores industriais. A fabricação de lasers de estado sólido, por exemplo, envolve a obtenção de meios de ganho baseados em substratos vítreos ou monocristalinos com baixíssima concentração de defeitos estruturais e dopados com íons de terras raras, como o Nd3+, por exemplo. Isto porque defeitos estruturais são deletérios e podem comprometer enormemente a performance dos dispositivos. Dentro do vasto campo dos lasers, destacam-se os lasers aleatórios - random lasers (RLs), que diferentemente dos lasers convencionais, caracterizam-se, entre outros aspectos, por não possuírem uma cavidade ressonante pré-definida. Nestes tipos de lasers, o espalhamento múltiplo da luz, que é evitado nos lasers convencionais, é justamente o fenômeno que gera a realimentação necessária para a amplificação óptica. Por esse motivo, os RLs podem ter processos de fabricação menos complexos, e possibilitam o emprego de uma maior gama de materiais como possíveis meios de ganho. A baixa coerência temporal e espacial dos RLs é vantajosa, por exemplo, para obtenção de imagens de alta definição, livres de granulação (speckle). Este projeto tem como objetivo principal estudar e caracterizar meios de ganho baseados em pós de materiais vítreos para aplicações como fontes emissoras de RL. Dessa forma, a operação de laser aleatório é relatada pela primeira vez em pós de vidros teluritos de zinco (TZO) dopados com íons de neodímio (Nd3+). O vidro TZO foi preparado pela técnica convencional de fusão seguida por resfriamento rápido. O vidro foi posteriormente submetido a moagem para a obtenção de partículas com tamanho médio de ~ 1 µm. Todas as amostras analisadas mostraram uma banda ampla devido à emissão espontânea amplificada - amplified spontaneous emission (ASE) - centrada em 1068 nm, correspondendo à transição 4F3/2 -> 4I11/2, sob excitação pulsada a 585 nm, ressonante com transição 4I9/2 -> {4G5/2, 2G7/2}. O laser aleatório foi alcançado apenas para amostras com concentrações de Nd2O3 superiores a 2,0 % em peso, apesar da ocorrência de supressão da emissão luminescente - luminescence concentration quenching (LCQ). Limiares de energia de pulso de excitação (EPE) para ação de laser aleatório foram observados em 8 e 5 µJ/mm2 para amostras dopadas com 5,0 e 10,0% em peso de Nd2O3, respectivamente. Os pós analisados atuam simultaneamente como meio de ganho e espalhadores; o mecanismo de realimentação do RL é atribuído às reflexões de luz nas interfaces das partículas e o ar. Além disso, acima do limiar laser, observou-se o aparecimento de um pulso de emissão rápido, na faixa de nanossegundos, o que é característico da ação laser. Por outro lado, o tempo de decaimento na fotoluminescência e ASE é da ordem de microssegundos. Os dados experimentais são comparados a um modelo de equação de taxas que corrobora os principais resultados experimentais. Os resultados apresentados neste trabalho mostram que o vidro TZO pode ser empregado como meio desordenado promissor para fontes de laser aleatório.