Nanopartículas plasmônicas para óptica não linear e laser aleatório

Abstract

Com o avanço da nanotecnologia, o interesse pela fabricação de novos materiais, em escala nanométrica, tem recebido grande atenção devido a possibilidade de gerenciar suas propriedades químicas e físicas por modificar sua morfologia, composição e tamanho. Especialmente na óptica e fotônica, nanopartículas (NPs) de composição metálica são amplamente exploradas pelas suas respostas ópticas intensas, com importantes aplicações na fabricação de diversos dispositivos fotônicos. O bom comportamento óptico das NPs metálicas está associado à oscilação coletiva dos elétrons livres de condução na superfície do metal quando estas interagem com campos eletromagnéticos. Este fenômeno, conhecido como plásmon de superfície localizado (LSP), é o motivo pelo qual as NPs metálicas são comumente chamadas de NPs plasmônicas. Neste trabalho, NPs plasmônicas com diferentes morfologias, tais como: nanoesferas, nanobastões, nanofios e nanocascas, com tamanhos controlados foram fabricadas, em suspensões coloidais, a partir de diferentes métodos de síntese química. Diversas caracterizações das propriedades morfológicas, estruturais, composicionais, e ópticas foram realizadas para garantir o adequado controle na geometria, composição e dimensões das NPs plasmônicas, bem como para entender seus mecanismos de nucleação, crescimento e estabilidade. Para avaliar a importância das NPs plasmônicas em óptica não linear (NL), foram realizadas medidas de caracterização dos efeitos de absorção e refração NL, usando a técnica de varredura Z em nanobastões de ouro com diferentes razões de aspecto. Essa experiência mostrou a possibilidade de controlar o comportamento de absorção NL das NPs plasmônicas a partir da competição entre os efeitos de absorção saturada e absorção saturada reversa. Além disso, foi possível evidenciar que não linearidades de quinta ordem contribuem significativamente para o comportamento de refração e espalhamento NL de nanocompósitos plasmônicos. Experimentos em lasers aleatórios (RLs) demonstram que as NPs que apresentam espalhamento NL de quinta ordem mais intenso, também apresentam o menor limiar para excitar o fenômeno de RL. Finalmente, uma nova metodologia baseada na combinação de feixes de luz desordenados excitando meios contendo nano ou micropartículas plasmônicas espalhadoras tem sido explorada para otimizar a performance de RLs. Os resultados demonstram que ao adicionar um grau de aleatoriedade na luz que bombeia o RL, fatores de otimização em mais de 20 vezes podem ser obtidos para a intensidade de emissão e limiar dos RLs. Os experimentos desenvolvidos nesta tese demonstram a importância do gerenciamento das propriedades ópticas de NPs plasmônicas, através do controle da sua morfologia e tamanho, em estudos e aplicações de óptica NL e RL.