Propriedades Ópticas Não Lineares de Vidros

Propriedades Ópticas Não Lineares de Vidros Teluretos Térmicamente Polarizados - Parte II:
Espectroscopia de Absorção Óptica e Espalhamento Raman.
Nicolaz Bordan Aranda1; Luis Humberto da Cunha2;
1
Estudante do Curso de Física da UEMS, Unidade Universitária de Dourados; E-mail:
[email protected]; Bolsista do PIBIC/CNPq;
2
Professor do Curso de Física da UEMS; Unidade Universidade de Dourados; E-mail:
[email protected];
Física da Matéria Condensada; Espectroscopia Óptica;
Resumo
O conhecimento das propriedades ópticas não lineares de vidros transparentes tem-se tornado de
grande interesse para diversas aplicações ópticas. A recente descoberta da geração de segundo
harmônico (GSH) em vidros inserindo-os entre dois eletrodos e submetendo-os a um alto campo
elétrico contínuo, ou sob alta energia de radiação, proporcionou novos desenvolvimentos de
sistemas integrados como os moduladores eletro ópticos. O objetivo deste trabalho foi estudar as
propriedades ópticas de vidros TeO2 -LiNbO3, submeter as amostras a um processo de polarização e
verificar se sofreram alguma alteração. Durante os estudos procurou-se saber a temperatura de T g
do material e quais valores de campo eletrico poderiam ser utilizados . Na realização da polarização
foram utilizados varias combinações de campo eletrico e temperatura buscando obter a melhor
combinação para que a amostra sofresse mudanças estruturais alterando assim suas propriedades. A
caracterização das propriedades ópticas do material foram feitas através da medida de absorção,
índice de refração, espalhamento Raman e espectro de Raio-X.
Palavras-chave: GSH. polarização. Caracterização.
Introdução
O conhecimento das propriedades ópticas não lineares de vidros transparentes tem-se tornado de
grande interesse para diversas aplicações, tais como moduladores fotônicos, lasers e também em
telecomunicações. Basicamente, a polarização ( ) é induzida em um meio por um campo elétrico
externo oscilante
. Esta polarização pode ser expandida em uma séria de potência do campo
elétrico como:
(1)
Sendo que
é a permissividade no vácuo,
polarização proporcional ao campo aplicado e
é a susceptibilidade linear,
é o termo da
a polarização não linear.
e
correspondem respectivamente a segunda e terceira ordem da susceptibilidade não-linear.
Para altas intensidades do campo elétrico oscilante
, o segundo termo da expansão acima é
responsável pela geração de um campo de oscilação com o dobro da freqüência da radiação
incidente, ou seja, 2ω , que corresponde ao processo de geração de segundo harmônico. No entanto,
em materiais centrossimétricos ou amorfos com simetria de inversão macroscópica como os vidros,
por exemplo, todos os componentes de segunda ordem do tensor susceptibilidade
são zero e a
GSH pode ser desconsiderada neste tipo de sistema. Porém, diferentes autores conseguiram induzir
a GSH em vidros por tratamento térmico ou excitação com alta energia no UV [3-6].
Estas técnicas têm sido usadas para quebrar a centro simetria dos vidros. Em particular, para que
vidros possam exibir propriedades ópticas não lineares, é necessária a realização de um prévio
tratamento nas amostras. Este tratamento consiste na aplicação de um campo elétrico intenso com a
amostra a uma temperatura abaixo da temperatura de transição T g e em seguida, resfriar a antes de
remover o campo DC. Assim, um vidro pode sofrer alterações estruturais e passar a ter propriedades
anisotrópicas, podendo ser um candidato a GSH e estar caracterizado por coeficientes eletro
ópticos, os quais estão envolvidos no mecanismo de modulação de luz para aplicação óptica.
Os vidros teluretos Li2O-TeO2 apresentam excelentes propriedades ópticas não lineares e,
dependendo da sua composição química, apresenta propriedades de geração de terceiro harmônico
(
) de pelo menos uma ordem de grandeza maior que vidros óxidos[7]. Outra característica
interessante é seu baixo ponto de fusão que facilita o processo de polarização do material com a
temperatura, para a formação de vidros contendo micro cristalitos.
O cristal de LiNbO3 é um importante material óptico não linear, devido apresentar alta
susceptibilidade não linear de segunda ordem (χ2) e alto índice de refração linear (n=2,296), este
cristal é usado na fabricação de guias de onda ópticos, moduladores, interruptores ópticos e
circuitos ópticos. Assim a combinação dos dois mateirais é interessante para melhorar suas
propriedades ópticas para aplicações em fotônica. O objetivo do trabalho é polarizar amostras de
vidros
TeO2-LiNbO3 e verificar se sofreram mudanças estruturais capaz de potencializar o
surgimento de propriedades ópticas de segunda ordem, como GSH.
Materiais e métodos
Amostras
As amostras de vidros teluretos [8] que foram submetidas à polarização induzida por campo elétrico
sob tratamento térmico foram preparadas pelo Grupo de Vidros e Cerâmicas (GVC) da
Universidade Estadual Paulista “Júlio Mesquita Filho” (UNESP) de Ilha Solteira– SP. Os vidros
teluretos tem se tornado interessante por possuírem alto índice de refração e a presença de um par
de elétrons livres na estrutura eletrônica, sendo promissores no desenvolvimento de instrumentos
ópticos não lineares, além de possuir baixa temperatura de fusão 900 °C, temperatura de transição
vítrea (Tg) de aproximadamente 280°C, e baixa energia de fônons, aproximadamente 700cm -1, fato
que otimiza a energia radiativa. As amostras trabalhadas possuem formato circular com 10 mm de
diâmetro e aproximadamente 0,68mm de espessura.
A amostra foi preparada utilizando o sistema (100 – x)(TeO 2)+(x)(LiNbO3) com x=30 e 40
mol%. Foram utilizados reagentes de alta pureza (sigma-aldrich, 99.99%). Inicialmente foi
preparada uma reação de estado solido para obter LiNbO 3, para isso foi utilizada uma proporção de
1:1 mol de LiCO3 e Nb2O5. Após obter esse composto foi pesado uma determinada massa do
mesmo e de TeO2, depois misturados conforme a estequiometria mostrada anteriormente, num
almofariz de porcelana por 30 minutos, para a homogenização dos pós; depois a mistura foi
colocada em um cadinho de platina e levado ao forno para iniciar o processo de fusão. Para chegar a
temperatura necessária de 900°C, foi utilizado um sistema de rampa com taxa de 10°C/min;
quando foi atingida a temperatura esperada, foi mantida constante por 1 hora. Logo em seguida o
liquido fundido foi vertido em um molde de aço inox preaquecido a 320°C, onde se esperou a
relaxação estrutural, após constatado esse fato o molde foi levado ao forno e recozido a 320°C
durante 24 horas para evitar tensões mecânicas devido ao choque térmico.
Poling
O poling térmico foi realizado nas amostras para induzir susceptibilidade óptica de segunda ordem.
O procedimento consiste em aquecer a amostra próximo a T g e aplicar uma alta tensão DC
simultaneamente. Após um determinado tempo de tratamento a temperatura é reduzida a ambiente
e o campo DC é mantido. Quando a temperatura atinge o valor da temperatura ambiente o campo é
removido finalizando o procedimento.
Absorção
A absorção óptica no UV-Vis foi observada utilizando uma lampada de deutério-tungstênio e um
spectrometro da Ocean Optics HR4000.
Índice de refração
O índice de refração de fase foi obtido utilizando o interferômetro de Michelson, com um laser de
632,8nm(He-Ne), montado na laboratorio do GEOF- UEMS. O indice de refração de grupo também
foi obtido no laboratorio do GEOF, utilizando um interferômetro de Michelson modificado, com
uma fonte de luz branca.
Espectroscopia Raman
O experimento de espalhamento Raman foi realizado utilizando um laser de Ar +, com comprimento
de onda de 514,5nm e um monocromador
HORIBA JOBIN YVON IRH320, situados no
laboratorio do GOEF-UEMS.
Raio-X
Foi utilizado um difratometro de raio-x Rigaku Rotaflex RINT 2000 do laboratorio do Grupo de
Vidros e Ceramicas (GVC) da Unesp – Ilha Solteira.
Resultados e Discussão
O primeiro passo foi a obtenção do espectro de absorção das amostras utilizadas, que serão
chamadas de TLN40 devido a concentração(LiNbO3 – 40%) .
Gráfico 1: Espectro de absorção.
Através desse espectro é possível ver a zona de corte da amostra, ou seja, a região do espectro onde
o material não absorve, situada próximo de 390 nm, o fato de ser uma matriz vítrea pura não faz
com que não surja nenhum pico característico, que poderia representar alguma impureza na
amostra. O índice de refração de fase obtido é mostrado no gráfico 2.
Gráfico 2: Índice de refração de fase.
A curva obtida para o índice de refração de fase através do interferômetro de Michelson foi de
2,129±0,005.Esse valor está dentro do esperado pela literatura, entre 1,8 e 2,3[8]. O índice de
refração de grupo foi obtido apresentando a curva mostrada no gráfico 3. Comparando com o índice
de refração de fase para 632,8nm, os valores de grupo é de 2,263±0,003. Esse índice não é igual ao
de fase, porém são próximos.
Gráfico 3: Índice de refração de grupo.
O espectro Raman obtido para a amostra TLN40 é mostrado no gráfico 4, é observado as bandas
caracteristicas dos vidros teluretos, em 440-480 cm-1 e 630,740 e 880 cm-1, que correspondem as
unidades estruturais TeO4 e TeO3, respectivamente. Já as bandas que surgem de 920 à 1600 cm-1
estão relacionadas ao LiNbO3.
Gráfico 4: Raman.
O difratograma de raio-x mostrado no gráfico 5 representa a amostra antes do tratamento de poling.
Gráfico 5: Raio-x amostra.
Após realizadas as medidas foram aplicadas quatro diferentes configurações de poling
nas
amostras, 1,2kV/3min, 0,9kV/3 min, 1,2kV/10 min e 1,9kV/20 min, respectivamente. Após
realizados esses procedimentos foi realizado um nova medida de raio-x para verificar se houve
mudança estrutural no material. O resultado é mostrado no gráfico 6.
Gráfico 6: Raio-x polarizadas.
Analisando o difratograma podemos ver o surgimento de picos em algumas regiões, o pico na
região de 31,5º corresponde a fase TeO2-γ, para amostra tratada com 0,9kV/3min vemos alguns
outros picos que serão investigados posteriormente. As medidas relativas aos índices de refração de
fase e grupo não foram realizadas pois a amostra sofreu algumas alterações na superficie.
Conclusões
Com a conclusão desse trabalho viu-se que é possível induzir a polarização dos vidros TeO2LiNbO3 através de poling, e que o processo resulta em mudanças estruturais no material, fato
mostrado no gráfico 6, com o surgimento da fase cristalina TeO2-γ.
Agradecimentos
Agradeço ao PIBIC/CNPq pela concessão da bolsa, ao GEOF e ao Profº Fábio Alencar por sua
grande contribuição desde a preparação das amostras ao procedimentos de tratamento e
caracterização.
Referências
[1] U. Oesterberg, W. Margulis, Opt. Lett. 11 (1986) 516.
[2] R.H. Stolen, H.W.K. Tom, Opt. Lett. 12 (1987) 585.
[3] R.A. Myers, N. Mukherjee, S.R.J. Brueck, Opt. Lett. 16 (1991) 1732.
[4] N. Mukherjee, R.A. Myers, S.R.J. Brueck, JOSA B 11 (1994) 665.
[5] T. Sekiya, N. Mochida, A. Ohtsuka, M. Tonokawa, J.NonCryst.Solids 144 (1992) 128.
[6] T. Fujiwara, M. Takahashi, A.J. Ikushima, Appl. Phys. Lett. 71 (8) (1997) 1032.
[7] A. K. Yakhkind, J. Am. Ceram. Soc. 49, 12 (1966) 670.
[8] B.G. Mantovani. “Dissertação de Mestrado: Caracterização Espectroscópica e Termo- Óptico de
Vidros Telureto e Aluminato de Cálcio dopado com Praseodímio.” In Programa de Pós-Graduação
em Física, Universidade Estadual de Maringá, 2009.