VARIAÇÃO DO ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE UMA INTERFACE SÓLIDO-LÍQUIDO PRÓXIMO AO ÂNGULO CRÍTICO

Marcelo Martinelli (PG)¹, Marcos Gugliotti (PG)², Mauricio S. Baptista (PQ)²,

Mario J. Politi (PQ)², Ricardo Horowicz (PQ)¹

¹Dept. de Física Experimental, Instituto de Física, Universidade de São Paulo

²Dept. de Bioquímica, Instituto de Química, Universidade de São Paulo

palavras-chave: varredura-Z por reflexão, lente térmica, ângulo crítico

Introdução e objetivos: Um dos mais simples e precisos métodos para a medida da não-linearidade em materiais é o de Varredura-Z por transmissão¹. Este método baseia-se na análise de distorções de um feixe de laser com perfil Gaussiano, as quais têm sua orígem em efeitos não-térmicos, como por exemplo, polarização não-linear e gradiente de estados excitados. Variações desta técnica (conhecidas como Varredura-Z por Reflexão, ou RZ-scan) permitiram a sua aplicação em amostras opacas, sendo que a aplicação mais recente apresenta um aumento relativo na não-linearidade quando a medida é realizada próximo ao ângulo de Brewster². O princípio empregado é o mesmo em todos os casos, ou seja, as não-linearidades absortiva e refrativa são calculadas com base na focagem (ou defocagem) de um feixe de laser e na variação de sua amplitude (intensidade). Recentemente, foi desenvolvida uma instrumentação baseada na técnica de Lente Térmica (LT)³ para o estudo de interfaces⁴. Neste caso, a focagem (ou defocagem) do feixe refletido é devida ao gradiente de índice de refração induzido pela geração de calor na amostra. No presente trabalho é apresentada uma técnica de RZ-scan por efeito térmico cuja medida, realizada próxima ao ângulo crítico (q_c), possui uma sensibilidade quatro vezes maior em relação à medida em incidência normal.

Métodos: A amostra utilizada foi uma solução opaca de níquel tetrassulfoftalocianina (NiPTS) dissolvida em água:etanol (1:1). Uma placa de vidro foi colada na base de um prisma BK7 (n=1,515), formando uma cela de 1 mm de espessura, a qual foi totalmente preenchida com a solução. O prisma foi preso sobre um goniômetro com precisão de 0,1^o montado sobre uma plataforma móvel acionada por um motor de passo. A amostra deslocou-se na direção de propagação do feixe de um laser de He-Ne, 632,8 nm, cw, TEM₀₀, com cerca de 10 mW de potência. O índice de refração da solução foi calculado com base na determinação do ângulo de Brewster, e seu valor usado para o cálculo de q_c, cujo valor encontrado foi de 63,7^o. Dois detectores foram usados para as medidas de intensidade no centro do feixe e de amplitude (sinal integrado), as quais foram normalizadas pela medida em um detector de referência. O laser foi modulado por um obturador, ajustado para operar no intervalo de 500 ms para exposição e bloqueio, e focado na amostra por uma lente com distância focal de 8,8 cm. O controle da instrumentação e a aqusição dos dados foram feitos por um computador.

Resultados e Conclusão: A variação do termo não-linear (Dn_o), responsável pela mudança no índice de refraçao, foi medida deslocando-se a amostra ao longo da

direção de propagação do laser, determinando a intensidade do feixe refletido. Do ajuste pelo modelo desenvolvido foi obtido o valor de (2,5±0,1)10^-3 para Dn_o. Já a dependência angular dos sinais de fase+amplitude e amplitude é mostrada na Figura 1. A amostra foi posicionada de forma a se obter o máximo sinal de LT, isto é, na posição que corresponde à vezes a distância confocal z_c (veja ref. 3). Um aumento em ambos os sinais é observado próximo à q_c.

Figura 1: Variação dos sinais de fase+amplitude (círculo cheio) e amplitude (círculo vazio) em função do ângulo de incidência na interface prisma-solução.

A variação do sinal de fase+amplitude pode envolver deformação de superfície, e necessita de um estudo mais detalhado. Já a variação de amplitude pode fornecer informações sobre a variação do índice de refração⁵, além de apresentar uma sensibilidade 4 vezes maior nas proximidades de q_c. Este método tem a vantagem de poder ser aplicado tanto para amostras transparentes como para opacas.

Referências: 1) M. Sheik-bahae, A. A. Said, E. W. Van Stryland, "High sensitivity, single beam n₂ measurements", Optics Letters, 14, 955 (1989); 2) M. Martinelli, S. Bian, J. R. Leite, R. J. Horowicz, "Sensitivity-enhanced reflection Z-scan by oblique incidence of a polarized beam", Applied Physics Letters, 72, 1 (1998); 3) S. J. Sheldon, L. V. Knight, J. M. Thome, "Laser-induced thermal lens effect: a new theoretical model", Applied Optics, 21, 1663 (1982); 4) M. Gugliotti, Mauricio S. Baptista, Luis G. Dias, M. J. Politi, "Single-beam interface thermal lensing", Applied, Optics, 38, 1213 (1999); 5) M. Martinelli, M. Gugliotti, R. J. Horowicz, "Measurement of refractive index change at liquid/solid interface close to the critical angle", Applied Optics, submetido.

FAPESP