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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.76.2008.tde-30092008-114257
Documento
Autor
Nome completo
Renato Antonio Cruz
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2008
Orientador
Banca examinadora
Catunda, Tomaz (Presidente)
Brito, Hermi Felinto de
Medina Neto, Antonio
Miranda, Luiz Carlos Moura
Zanatta, Antonio Ricardo
Título em português
Espectroscopia de lente térmica de alta sensibilidade
Palavras-chave em português
Baixas absorções
Coeficiente de absorção linear
Espectroscopia de alta sensibilidade
Lente Térmica
Resumo em português
A eficácia de métodos convencionais de transmissão, utilizados para medir absorção de materiais altamente transparentes, é geralmente limitada pela reflexão e espalhamento de luz. A espectroscopia de Lente Térmica, por outro lado, não é sensível a esses fenômenos, e tem sido amplamente usada na determinação de baixas absorções ópticas. Neste trabalho, estudamos uma configuração de Lente Térmica de duplo feixe (onda contínua cw), desenvolvida recentemente, e suas aplicações. Essa configuração otimiza a técnica de Lente Térmica, e aumenta significativamente a sensibilidade de medida. Foram realizados alguns cálculos computacionais e testes experimentais dessa configuração, e os resultados foram comparados com os de outra configuração, tradicionalmente utilizada, denominada de feixe duplo no modo-descasado. Várias aplicações foram feitas para líquidos e sólidos. Como resultado, obtivemos o espectro de absorção da água pura entre 350 e 528 nm, que indicou um valor mínimo de aproximadamente 1,5 • 10-5 cm-1 em torno de 380 nm, que é mais baixo do que todos os valores da literatura. Coeficientes tão baixos quanto 2 • 10-7 cm-1 podem ser medidos para a água, com 1W de potência, utilizando essa configuração otimizada. Estimamos um limite de detecção de ~ 6 • 10-9 cm-1 (P = 1 W) para o solvente CCl4, que corresponde (até onde sabemos) ao menor valor já encontrado na literatura para líquidos, utilizando-se laser cw. Quanto à detecção de traços de impurezas, o limite para o Cr (III) em solução aquosa foi de ~ 40 ppb (ng/mL) em 514 nm, que corresponde a aproximadamente metade da concentração máxima ideal de Cr (III) em águas potáveis e naturais. Foram obtidos alguns resultados preliminares para a variação do caminho óptico com a temperatura (ds/dT), em sólidos com diferentes geometrias. Para a sílica fundida (quartzo vítreo) Suprasil, determinamos um limite superior para o coeficiente de absorção, cujos valores, 1 • 10-6 cm-1 (em 493 nm) e 1 • 10-5 cm-1 (em 355 nm), também são menores do que os resultados da literatura nessa região do espectro. A alta sensibilidade da técnica permitiu obter a absorção, em 1064 nm, das matrizes de materiais laser dopados com Nd3+, sendo (1,8 ± 0,1) • 10-3 cm-1 para o vidro Q-98 (Kigre), e (5 ± 1 • 10-4 cm-1 para o cristal Nd:YAG. Realizamos também medidas de eficiência quântica de fluorescência em nanocristais semicondutores (CdSe/ZnS) suspensos em THF e tolueno, com resultado aproximadamente 5 vezes mais preciso do que o obtido por técnica convencional de fluorescência. As principais vantagens da configuração otimizada, em relação à tradicional, são: um procedimento experimental simples, boa precisão nas medidas de difusividade térmica e, principalmente, a alta sensibilidade da técnica. As desvantagens são: um tempo de medida mais longo, e a necessidade de amostras maiores.
Título em inglês
High sensitivity Thermal Lens spectroscopy
Palavras-chave em inglês
High sensitivity spectroscopy
Linear absorption coefficient
Lowabsorption.
Thermal Lens
Resumo em inglês
The efficiency of conventional transmission methods used to measure absorption of hightransparent materials is usually limited by light scattering and reflection. On the other hand, Thermal Lens spectroscopy is insensible to such phenomena and has been widely applied to determinate low optical absorptions. In this thesis, we have studied a recently developed dualbeam (continuous wave - cw) Thermal Lens configuration as well as its practical applications. This configuration optimizes the technique and significantly improves the measurement sensitivity. Some computational calculations and experimental tests of this approach were carried out. The results were compared with those obtained using a traditional configuration, named Mode-mismatched Dual-beam Thermal Lens. Several applications were made for liquids and solids. As a result, we obtained the absorption spectrum for pure water in the range of 350 to 528 nm, which indicated a minimal value of approximately 1,5 • 10-5 cm-1 around 380 nm, that is lower than those found in literature. Absorption coefficients as small as 2 • 10-7 cm-1, can be measured for water, using 1W of excitation power, with this optimized configuration. We have estimated a detection limit of ~ 6 • 10-9 cm-1 (P = 1 W) for CCl4 solvent, which corresponds (to the best of our knowledge) to the smallest value found in the literature for liquids using cw laser. With regard to the chemical trace analysis, the detection limit was ~ 40 ppb (ng/mL) at 514 nm for Cr (III) in aqueous solutions, which is nearly half of the maximum desired Cr (III) concentration in drinking and natural waters. Some preliminary results for the temperature coefficient of the optical path length (ds/dT) were obtained at solids with different geometries. For the fused-silica (vitreous quartz) Suprasil, we have determined an upper limit for the absorption coefficient, whose values, 1 • 10-6 cm-1 at 493 nm, and 1 • 10-5 cm-1 at 355 nm, also are lower than the values found in literature in this spectrum region. The high sensitivity of the technique allowed us to measure the absorption (at 1064 nm) of matrices of Nd3+ doped laser materials: (1,8 ± 0,1) • 10-3 cm-1 for Q-98 glass (Kigre), and (5 ± 1) • 10-4 cm-1 for Nd:YAG crystal. We carried out as well measurements of fluorescence quantum yield of semiconductor nanocrystals (CdSe/ZnS) suspended in THF and toluene solvents, whose result was approximately 5 times more accurate than that obtained with the conventional fluorescence technique. The main advantages of the optimized configuration are: a simple experimental procedure, a good accuracy for thermal diffusivity measurements, and most important the high sensitivity of the technique. The drawbacks are: a longer time of measurements, and the requirement of larger samples.
 
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Data de Publicação
2008-10-09
 
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