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2011-Dissertação-DeniseSantos.pdf: 1719957 bytes, checksum: b5e452e2896a290b445f98527588536b (MD5) === Made available in DSpace on 2017-07-24T13:44:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2011-09-02 === Neste trabalho, estudamos mecanismos de operação de lasers com realimentação por espa-lhamento de luz. Foram usados dois sistemas físicos: colóides consistindo de nanopartículase moléculas de rodamina dissolvidas em álcool e partículas dielétricas contendo rodamina noseu interior. No primeiro, as partículas espalhadoras (nanoesferas de sílica envoltas por umananocasca de ouro) têm diâmetros da ordem do comprimento de onda da luz e usamos a teoriade Mie para entender o comportamento do sistema. Já no segundo, trabalhamos com esferas desílica de dezenas de micrômetros, nas quais o comportamento da luz pode ser descrito atravésda óptica geométrica.Na primeira etapa verificamos que a colocação de uma nanocasca metálica nas partícu-las espalhadoras contribui para o engrandecimento da seção de choque de espalhamento e docampo eletromagnético local, permitindo obtermos lasers aleatórios com um limiar de operaçãomenor do que é obtido com dielétricos. Medimos o espectro de emissão em função da fluênciado bombeamento tanto da suspensão de partículas em uma cubeta como também colocando asuspensão de partículas no núcleo de uma fibra microestruturada ("random fiber laser"). Foipossível, em ambos os casos, verificar uma redução da largura de linha e comportamento nãolinear da luminescência, compatíveis com uma operação tipo laser, como desejávamos. Entre-tanto, verificamos uma diminuição do sinal devido à ablação das nanocascas.Realizamos também um breve estudo da medida do Livre Caminho Médio (LCM) dosfótons no meio aleatório. Para a medida do LCM foi analisada a distribuição espacial da in-tensidade de luz devido ao retro-espalhamento. A técnica utilizada, conhecida comoCoherentBackscattering, é baseada na consideração de que ondas viajando com momentos reversos emum meio espalhador interferem construtivamente gerando um padrão de intensidade, na di-reção de retro-emissão, que tem a forma de um cone, cuja largura é determinada pela distânciamédia que o fóton percorre no meio espalhador, entre duas colisões sucessivas. O LCM é umparâmetro importante para a caracterização de lasers aleatórios.Na segunda etapa, esferas de sílica de dezenas de micrômetros contendo rodamina em seuinterior foram bombeadas individualmente. Partículas com essas dimensões são capazes deconfinar o campo eletromagnético. Esse confinamento é então utilizado como mecanismo derealimentação para a amplificação do campo e operação tipo laser. A emissão do corante nessasmicroestruturas ocorre em conjuntos discretos de frequências, de acordo com os modos resso-nantes da cavidade esférica que são chamados Modos de Galeria de Sussurro. Este sistema foiestudado em detalhes e foi determinado o limiar de operação do laser em tais microcavidades. === In this work, we studied mechanisms for operation of lasers with feedback provided by scat-tering of light. We used two types of physical systems: 1 -colloids consisting of nanoparticlesand rhodamine molecules dissolved in alcohol, 2 - dielectric particles containing rhodamine. Inthe first regime, the scattering particles (nanospheres of silica surrounded by a gold nanoshell)have diameters on the order of the light wavelength and Mie theory was used to understand thebehavior of the system. In the second, we worked with silica spheres of tens of micrometers,whose behavior can be described by geometrical optics.In the first stage of the study, we found that metalic nanoshells suspended in a colloid withrhodamine contribute to enhancement of the local electromagnetic field, allowing to obtain arandom laser operating with a threshold lower than it is achieved with dielectric scatterers, andobtained considerable reduction in the emission spectral width. We performed measurementsof the emission spectrum as a function of the pumping fluence both in particle suspension ina cuvette as well as placing the suspension of particles in the core of a microstructured fiber("Random Fiber Laser"). The latter allows us to perform experiments using a concentration ofscatterers from 3 to 4 orders of magnitude lower than measurements performed with cuvettes.It was possible, in both cases to verify a reduction of line width and non-linear behavior of theluminescence, consistent with laser operation, as we wished. However, we found a decrease insignal due to ablation of nanoslells.We also studied of the mean free path of the photons in a random media. To measure themean free path, the spatial distribution of light intensity due to backscattering was analyzed.The technique, known as Coherent Backscattering of Light, is based on the consideration thatwaves traveling in time-reversed paths through a scattering medium interfere constructively,generating an intensity pattern in the direction of retro-emission, which is shaped like a cone,whose width is determined by the average distance that the photon travels through the scatteringmedia between two successive collisions. The mean free path is a important parameter for thecharacterization of random lasers.In the second stage of the work, silica spheres of tens of micrometers containing rhodaminewere individually pumped. Particles with these dimensions are able to confine the electro-magnetic field. This confinement provides a feedback mechanism for light amplification andlaser operation. The dye emission in these microstructures occurs in discrete sets of frequen-cies, according to the resonant modes of the spherical cavity, which are called WhisperingGallery Modes. This system has been studied in detail and we determined the threshold oflaser operation in such cavities.
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