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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2023.tde-16032023-101657
Documento
Autor
Nome completo
André Luis dos Santos Romero
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2023
Orientador
Banca examinadora
Boni, Leonardo De (Presidente)
Rodrigues Junior, Jose Joatan
Vivas, Marcelo Goncalves
Título em português
Sistema experimental automatizado para estudos de Laser Aleatório em plataformas poliméricas flexíveis combinadas a biomateriais
Palavras-chave em português
automação
espectroscopia
Laser Aleatório
materiais orgânicos
processo de fabricação
programação computadores
resinas poliméricas
Resumo em português
Neste trabalho, são descritos os estudos do fenômeno de laser aleatório (LA) em amostras poliméricas flexíveis contendo centros espalhadores obtidos naturalmente. O LA foi proposto por Letokhov, em que a ação laser poderia ocorrer em um meio de ganho com múltiplos espalhamentos, sem a necessidade de uma cavidade ótica tradicional, utilizando partículas como centros espalhadores de luz e assim confinando a luz por mais tempo dentro do meio de ganho, induzindo a emissão estimulada. Em especial, será descrito o desenvolvimento de toda uma automação da técnica experimental utilizada nos experimentos de laser aleatório, a qual coleta os sinais característicos desse fenômeno, foi descrita em detalhes desde a composição do hardware até o software de controle e análise. Nesse sentido, foram confeccionados diferentes conjuntos de amostras poliméricas que tinham como função principal servir como uma matriz hospedeira para corantes orgânicos, mantendo as propriedades fotofísicas dos mesmos praticamente inalteradas, o que resultou em um meio de ganho para laser aleatório de estado sólido. Essa matriz foi utilizada para estudar materiais que possam ser possíveis espalhadores de luz, sendo os espalhadores os responsáveis pela luz permanecer confinada por mais tempo dentro do material e assim induzir à amplificação da luz via emissão estimulada. Primeiramente, desenvolvemos a automação do experimento de laser aleatório, desde a implementação da montagem ótica até a implementação de novas tecnologias para a aquisição dos sinais típicos de um laser aleatório, também foi elaborado um programa de computador utilizando linguagem LabVIEW, que faz o controle total do experimento e tem como funcionalidade fornecer em tempo real as curvas de intensidade máxima de emissão em função da energia de bombeio e largura espectral total à meia altura em função da energia de bombeio também. Com esses dois comportamentos, podemos estudar a combinação do meio ativo, resinas e membranas de casca de ovo como centros espalhadores, averiguando a existência de características próprias de um laser aleatório. O processo de confecção das amostras, o qual foi composto de dois monômeros triacrilatos e um fotoiniciador, foi importante para uma melhor incorporação do corante orgânico como meio ativo de ganho. Além disso, foi possível a incorporação da membrana natural da casca de ovo como centros espalhadores de luz, as quais apresentaram distintos comportamentos devido a diferentes estruturas encontradas na camada interna e externa da membrana. O livre caminho médio mensurado das membranas internas e externas foi de 2,1 μm e 1,4 μm. Foram preparadas três amostras, sendo uma das amostras sem a membrana, as outras duas amostras utilizando a camada interna e externa da membrana como dispersores de luz. As amostras apresentaram diferentes níveis de transparência, mesmo limiar de laser igual a 23 μJ, com como também diferentes eficiências de emissão. A amostra com membrana interna possui uma eficiência cinco vezes maior que a amostras com membrana interna, além de apresentar uma largura espectral de 8 nm.
Título em inglês
Automated experimental system for Random Laser studies on flexible polymeric platforms combined with biomaterials
Palavras-chave em inglês
automation
computer programming
manufacturing process
organic materials
polymeric resins
Random Laser
spectroscopy
Resumo em inglês
In this work, studies of the random laser (RL) phenomenon in flexible polymeric samples containing naturally obtained scattering centers are described. RL was proposed by Letokhov, in which laser action could occur in a multiple scattering gain medium, without the need for an optical cavity, using particles as light scattering centers and thus confining the light for a longer time within the gain medium, inducing stilted emission. An entire automation of the experimental technique used in random laser experiments was developed, which collects the characteristic signals of this phenomenon, it was described in detail from the hardware composition to the control and analysis software. In this sense, different sets of polymeric samples were made, whose main function was to serve as a host matrix for organic dyes, keeping their photophysical properties practically unaltered, which resulted in a gain medium for solid-state Random Laser. This matrix was used to study materials that could be possible light scatterers, the scatterers being responsible for the light remaining confined for a longer time within the material and thus inducing the amplification of light via stimulated emission. First, we developed the automation of the random laser experiment, from the implementation of the optical assembly to the implementation of new technologies for the acquisition of the typical signals of a random laser, a computer program was also elaborated using LabVIEW language, that makes the total control of the experiment, and its functionality is to provide in real time the curves of maximum emission intensity as a function of pumping energy and spectral width at full width at half maximum as a function of pumping energy as well. With these two behaviors, we can study the combination of the active medium, resins and eggshell membranes as scattering centers, verifying the existence of characteristics typical of a random laser. The sample preparation process, which was composed of two triacrylate monomers and a photoinitiator, was important for a better incorporation of the organic dye as an active gain medium. In addition, it was possible to incorporate the natural eggshell membrane as light scattering centers, which presented different behaviors due to different structures found in the inner and outer layer of the membrane. The measured mean free path of the inner and outer membranes was 2.1 μm and 1.4 μm accordingly. Three samples were prepared, one of the samples without the membrane, the other two samples using the inner and outer layer of the membrane as light scatterers. The samples showed different levels of transparency, the same laser threshold equal to 23 μJ, with different emission efficiencies. The sample with an inner membrane has an efficiency five times greater than the samples with an inner membrane, in addition to having a spectral width of 8 nm.
 
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Data de Publicação
2023-03-17
 
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