Implementação da técnica de varredura-Z heteródina

Abstract

Resumo: É conhecido que a interação da radiação com a matéria pode resultar em alterações temporárias nas propriedades ópticas dos materiais, como no índice de refração, por exemplo. Em 1989, Sheik-Bahae et al. desenvolveram a técnica de varredura-Z, uma abordagem que possibilita a medição do índice de refração e do coeficiente de absorção em relação à intensidade da radiação. Esta técnica se destaca ao investigar as mudanças no índice de refração de um material quando exposto ao aquecimento induzido pela absorção parcial da radiação de um laser. Recentemente, esta técnica foi montada em nosso laboratório e alguns estudos foram iniciados. Porém, neste trabalho, implementamos uma versão alternativa chamada de varredura-Z heteródina, um método especialmente projetado para caracterizar efeitos não lineares com tempos de resposta lentos. A vantagem do método heteródino é a possibilidade de medir a mudança de fase do feixe de laser modulado, assim como o tempo de relaxação térmico do material investigado e a magnitude da não linearidade térmica. No entanto, o projeto original emprega uma pequena modulação de intensidade senoidal (<10%), em um feixe de laser CW, que não é tão fácil de ser obtida sem o uso de dispositivos especializados. Aqui empregamos um esquema alternativo baseado na utilização de um chopper óptico simples para modular um feixe de laser. Como sabemos, o chopper óptico é frequentemente utilizado em medições de alta precisão com uso de amplificador lock-in e, desta forma, pode ser encontrado em muitos laboratórios. Nesse caso, a modulação do feixe de laser assume a forma de uma onda quadrada com o ciclo de trabalho usual de 50% e forte modulação de intensidade (100%) em vez da onda senoidal fraca. Como veremos, mesmo com essa modulação forte, a técnica de varredura-Z heteródina pode ser aplicada para caracterizar uma não linearidade lenta. A configuração experimental adotada é a mesma da tradicional técnica de varredura-Z de feixe único, porém com a inclusão de um chopper óptico e a adição de um amplificador lock-in dual-phase. Para validar nosso sistema, realizamos medidas do efeito térmico usando um filtro óptico neutro com especificações bem estabelecidas, excitado com um laser CW de He-Ne com emissão em 632,8 nm

Abstract: It is known that the interaction of radiation with matter can result in temporary changes in the optical properties of materials, such as the refractive index, for example. In 1989, Sheik-Bahae et al. developed the Z-scan technique, an approach that enables the measurement of the refractive index and absorption coefficient related to radiation intensity. This technique stands out in investigating changes in the refractive index of a material when exposed to heating induced by partial absorption of laser radiation. Recently, this technique was implemented in our laboratory, and some studies were initiated. However, in this work, we implemented an alternative version called heterodyne Z-scan, a method specially designed to characterize nonlinear effects with slow response times. The advantage of the heterodyne method is the ability to measure the phase change of the modulated laser beam, as well as the thermal relaxation time of the investigated material and the magnitude of thermal nonlinearity. However, the original design employs a small sinusoidal intensity modulation (<10%) in a CW laser beam, which is not as easily obtained without specialized devices. Here, we employ an alternative scheme based on a simple and widely available optical chopper to modulate a laser beam. As we know, the optical chopper is often used in high-precision measurements with a lock-in amplifier and, thus, can be found in many laboratories. In this case, the modulation of the laser beam takes the form of a square wave with the usual 50% duty cycle and strong intensity modulation (100%) instead of the weak sinusoidal wave. As we will see, even with this strong modulation, the heterodyne Z-scan technique can be applied to characterize a slow nonlinearity. The experimental setup adopted is the same as the traditional single-beam Z-scan technique but with the inclusion of an optical chopper and the addition of a dual-phase lock-in amplifier. To validate our system, we performed measurements of the thermal effect using a neutral optical filter with well-established specifications, excited with a He-Ne CW laser emitting at 632.8 nm