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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2022.tde-20042022-103540
Documento
Autor
Nome completo
Gabriela de Almeida Flores
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2022
Orientador
Banca examinadora
Mendonça, Cleber Renato (Presidente)
Almeida, Gustavo Foresto Brito de
Rodrigues Junior, José Joatan
Título em português
Microfabricação com pulsos de femtossegundos em cristais orgânicos de L-treonina
Palavras-chave em português
Efeito de incubação
L-treonina
Material orgânico
Microfabricação
Óptica não-linear
Resumo em português
Materiais orgânicos vêm sendo estudados para utilização em dispositivos fotônicos por conta de suas interessantes propriedades ópticas lineares e não-lineares. Dentre esses materiais, cristais orgânicos de aminoácidos têm despertado grande interesse por possuírem atributos interessantes para serem explorados em Fotônica, como por exemplo a geração de segundo e terceiro harmônicos. Diversas técnicas de processamento de materiais podem ser utilizadas para a fabricação de dispositivos, porém a fabricação com pulsos de femtossegundos tem recebido destaque por sua alta resolução e habilidade de fabricar microestruturas tanto na superfície como no volume de materiais. Sendo assim, nesta dissertação estudamos os aspectos fundamentais do processo de microfabricação via pulsos de femtossegundos no cristal de L-treonina em vários comprimentos de onda (343, 515 e 1030 nm). De forma mais específica, investigamos o efeito de incubação, ou seja, a dependência entre a fluência mínima necessária para modificar o material, fluência de threshold, e o número de pulsos incidentes. O comportamento da incubação foi ajustado por um modelo de geração de defeitos exponencial. A partir deste modelo foi possível determinar o parâmetro de incubação k, que mostrou-se aumentar com o comprimento de onda: k = (0.8 ± 1.5)10-2 para o 1030nm, k = (2.3 ± 0.6)10-4 para o 515nm e, por fim, k = (8.8 ± 0.5)10-5 para o 343nm. Para melhor entender como se dá o processo de microfabricação e a dinâmica de criação de defeitos, realizamos espectroscopias Raman e de emissão, tanto na superfície microfabricada como fora dela. Estes estudos mostraram a presença de defeitos na amostra, mesmo antes da microfabricação, o quais são acentuados pela irradiação com os pulsos de femtossegundos. Através de modelo que considera os processos de absorção multifotônica e ionização por avalanche, calculamos a fluência de threshold para um pulso único nos diversos comprimentos de onda, os quais estão em bom acordo com os resultados experimentais. Os resultados indicam que o processo de microfabricação está associado a absorção linear dos níveis de defeito presentes na L-treonina. Ainda, neste estudo calculamos o parâmetro de Keldysh, que permite distinguir qual processo, a fotoionização por absorção de fótons ou o tunelamento, são predominantes na ionização da amostra. Tendo em vista que o parâmetro de Keldysh encontrado é apreciavelmente maior do que um, o processo predominante é a ionização por absorção de fótons para os três casos. Portanto, nossos resultados apresentam as características do processo de microfabricação via pulsos de femtossegundos com a L-treonina, que podem ser explorados para a obtenção de dispositivos fotônicos, e indicam que os defeitos presentes na amostra são determinantes para a produção do dano óptico.
Título em inglês
Micromachining with femtosecond pulses in organic crystals of L-threonine
Palavras-chave em inglês
Incubation effect
L-threonine
Microfabrication
Nonlinear optics
Organic material
Resumo em inglês
Organic materials have been studied for use in photonic devices because of their interesting linear and nonlinear optical properties. Among these materials, organic crystals of amino acids have aroused attention because they have interesting features to be explored in Photonics, such as second and third harmonic generation. Several processing techniques can be used for device fabrication, but femtosecond laser micromachining has been highlighted for its high resolution and ability to fabricate microstructures both on the surface and in the volume of materials. Therefore, in this dissertation we study fundamental aspects of the microfabrication process via femtosecond pulses in the L-threonine crystal at various wavelengths (343, 515 and 1030 nm). More specifically, we investigated the incubation effect, that is, the dependence between the minimum fluency needed to modify the material, threshold fluency, and the number of incident pulses. The incubation behavior was adjusted by an exponential defect generation model. From this model it was possible to determine the incubation parameter k, which was shown to increase with the wavelength: k = (0.8 ± 1.5)10-2 for the 1030nm, k = (2.3 ± 0.6)10-4 for the 515nm and finally k = (8.8 ± 0.5)10-5 for the 343nm. To better understand the microfabrication process and the dynamics of defect generation, we perform Raman and emission spectroscopy, both on the microfabricated surface and pristine sample. These studies showed the presence of defects in the sample, even before microfabrication, which are accentuated by irradiation with femtosecond pulses. Using a model that considers the processes of multiphoton absorption and avalanche ionization, we calculated the threshold fluence of for a single pulse at different wavelengths, which are in good agreement with the experimental results. The results indicate that the microfabrication process is associated with linear absorption of the defect levels present in L-threonine. Also, in this study, we calculated the Keldysh parameter, which allows us to distinguish which process, photoionization by photon absorption or tunneling, is predominant in the ionization of the sample. Since the Keldysh parameter found is appreciably greater than one, the predominant process is ionization by photon absorption for all three cases. Therefore, our results present the characteristics of the microfabrication process via femtosecond pulses with L-threonine, which can be explored to obtain photonic devices, and indicate that the defects present in the sample are decisive for the production of optical damage.
 
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Data de Publicação
2022-04-20
 
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