BR102020024697A2 - Analisador fototérmico de fluídos e sólidos transparentes baseado na automodulação espacial de fase de um feixe laser gaussiano - Google Patents

Abstract

analisador fototérmico de fluídos e sólidos transparentes baseado na automodulação espacial de fase de um feixe laser gaussiano. a presente invenção está relacionada ao desenvolvimento de um aparelho para a determinação não destrutiva do índice de refração não linear característico de um meio material, líquido ou sólido transparente, baseado no fenômeno fototérmico denominado automodulação espacial de fase

Description

ANALISADOR FOTOTÉRMICO DE FLUÍDOS E SÓLIDOS TRANSPARENTES BASEADO NA AUTOMODULAÇÃO ESPACIAL DE FASE DE UM FEIXE LASER GAUSSIANO

[001] A presente invenção trata-se de um equipamento que permite determinar o índice de refração não-linear de uma amostra líquida ou sólida (cujas faces sejam planas, paralelas e polidas) através da análise do padrão de anéis gerado pela amostra pelo fenômeno denominado de automodulação espacial de fase de origem térmica quando da incidência de um feixe laser nela. O equipamento proposto pode ser utilizado no caso de amostras líquidas, por exemplo, a análise de amostras destinadas a consumo humano e/ou animal para a determinação de sua integridade e da existência de possíveis adulterações.

[002] A caracterização de um material é importante não somente para a sua identificação como também para a determinação de possíveis alterações que venham modificar as suas propriedades com diversas consequências tanto para a indústria quanto para a saúde da população e dos seres vivos em geral. Numerosos parâmetros físicos e químicos podem ser adotados para a identificação de um material, originando diversas técnicas espectroscópicas para esse fim, como por exemplo, as espectroscopias UV-Vis, Infravermelha, Raman e NMR.

[003] Fenômenos fototérmicos já foram objetos de patentes. Por exemplo e baseados na formação de uma lente térmica, podemos citar a patente PI 1101431-8 de T. Catunda, O. Oliveira Jr, RM Faria, ES Gugliotti e RA Cruz, concedida no Brasil, e as patentes EU 7057729 de J Yamaguchi et al, e EU 7036979 de K Mawatari, concedidas nos EU. Também podemos citar o pedido PI 0701008-7 A2, com data de depósito em 22/02/2007 que reivindica a invenção de um dispositivo para espectroscopia em líquidos baseado no fenômeno fotoacústico. Porém, nenhuma patente foi solicitada ou concedida em relação aqui ou nos EU a um equipamento baseado na automodulação espacial de fase.

[004] A presente invenção está relacionada ao desenvolvimento de um aparelho para a determinação não destrutiva do índice de refração não linear característico de um meio material, líquido ou sólido transparente, baseado no fenómeno fototérmico denominado automodulação espacial de fase. O número relativamente pequeno de elementos facilita a integração deles num único equipamento de fácil transporte para análises de amostras em empresas onde sejam produzidas ou comercializados.

Descrição detalhada da invenção

[005] Em geral o índice de refração n de um meio material para um determinado comprimento de onda da luz incidente, depende, entre outros fatores, da intensidade da luz incidente, sendo dado por
n = n0 + n2I
onde no é o índice de refração linear e I é a intensidade da luz incidente. O índice de refração não linear é característico do meio material e pode ser utilizado para a sua identificação.

[006] O coeficiente ଶ pode ser determinado pela técnica denominada Z-scan (M Sheik-Bahae, et al., Sensitive Measurement of Optical Nonlinearities Using a Single Beam, IEEE J Quantum Electr. 26, 760-769, 1990). Embora esta técnica permita determinar o módulo e o sinal da amostra, ela exige um equipamento sofisticado, e a medida costuma ser demorada, exigindo a coleta de um grande número de dados para a determinação precisa de n2 . Um outro meio de determinar o módulo de n2 é por meio do fenômeno fototérmico de automodulação espacial da fase de um feixe laser.

[007] A mudança no índice de refração devido à incidência da luz de intensidade I, δn=n2I, por sua vez altera a fase da onda que incide no meio, dada por (M.S. Ribeiro, KC Ribeiro, VM Lenart, RF Turchiello, SL Gómez, Low-cost nonlinear optics experiment for undergraduate instructional laboratory and lecture demonstration: A second experiment, Am. J. Phys. 88, 102 (2020)):

onde λ é o comprimento de onda do laser e L é a espessura da amostra.

[008] Os lasers comerciais utilizado em laboratórios de pesquisa possuem uma intensidade com simetria cilíndrica e que tem um perfil espacial Gaussiano dado por:

onde r é a distância radial medida a partir do centro do feixe, Io é a intensidade no centro do feixe (r = 0).

[009] No arranjo experimental objeto da solicitação desta patente, a amostra é localizada na posição do foco de uma lente convergente, e assim, a cintura do feixe será a menor possível e, portanto, é possível escrever

onde wo é a cintura do feixe.

[010] A potência P do laser está relacionada à intensidade Io por P = I0 02/2. O perfil espacial Gaussiano do feixe é responsável pelo surgimento de dois feixes emergindo paralelamente da face traseira da amostra, a partir de pontos a diferentes distancias do eixo de propagação e, portanto, como fases diferentes, os quais podem interferir tanto construtivamente quanto destrutivamente. Identificando as distâncias como r1 e r2, se (r2) − (r1) = , a interferência será construtiva se m é par e destrutiva se m é impar. Assim, a estimativa do número de anéis brilhantes, correspondentes a interferências construtivas dos feixes

[011] O padrão de interferência é o mesmo se a diferencia de fase é + ou – . Por esta razão, o padrão não traz informação sobre o sinal de n2, o qual pode ser positivo ou negativo. A determinação do sinal de n2 pode ser feita por meio da determinação do tipo de lente térmica induzida: se a lente é convergente (divergente) o sinal será positivo (negativo). Com essa finalidade, é possível realizar uma medida complementar com o equipamento, posicionando a amostra a uma distância z0 -comprimento de Rayleigh do laser- do foco da lente, em direção ao registrador de imagens e com uma potência pouco inferior ao limiar de observação do padrão de anéis de automodulação espacial de fase: se a lente for positiva, haverá uma diminuição no tamanho da imagem do feixe no registrador de imagens; se a lente for negativa haverá um aumento no tamanho da imagem.

[012] A equação final do parágrafo 10 é a fundamental para o nosso trabalho, a qual estabelece uma relação linear entre o número de anéis de interferência observados e a potência do laser. Do ajuste linear do número de anéis em termos da potência do laser, e do conhecimento dos parâmetros experimentais com comprimento de onda do feixe, cintura do feixe e espessura da amostra, extraímos o valor do coeficiente n2, sendo este o único parâmetro dependente do meio e pelo qual este será caracterizado.

[013] Para a observação do efeito fototérmico o meio tem que absorver no comprimento de onda do feixe gerando a mudança no índice de refração do meio. Além do anterior, a observação da automodulação de fase exige que a diferencia de fazes induzidas entre a parte interna e externa do feixe sejam suficientemente (>2). Portanto, ou o laser deve ser suficientemente potente e/ou utilizamos um feixe focalizado sobre a amostra.

[014] No aparelho proposto, o qual é mostrado esquematicamente na FIGURA 1, o feixe de um laser (1) com perfil espacial intensidade gaussiano e cuja potência possa ser regulada, é focalizado por meio de uma lente convergente de distância focal f (2). A amostra líquida a ser analisada é colocada numa cubeta (3), de vidro ou quartzo. No caso de uma amostra sólida transparente ela precisa ter as paredes planas e paralelas. A amostra é posicionada num suporte (4) com duas posições possíveis para a cubeta. O suporte (4) é posicionado e dimensionado para que uma das posições esteja no foco da lente convergente e a outra posição se encontre a uma distância z0 do foco, entre o foco e o anteparo onde se forma as imagens. O padrão de anéis produzido pode ser registrado por uma câmera ccd (5) ou qualquer outro dispositivo capaz de registrar digitalmente as imagens. As imagens capturadas podem ser transmitidas a um microprocessador ou computador (6) com um programa de análise de imagens o qual determinará o número de anéis formados após a amostra.

[015] Um ajuste linear do número de anéis formados em relação à potência do laser incidente fornecerá o parâmetro n2. Concomitantemente com a automodulação espacial de fase, a incidência de um laser num meio que absorve a luz deste, induz a formação de uma lente térmica. Assim, em geral os dois efeitos podem estar presentes juntos. Entretanto, se a amostra é posicionada no ponto focal da lente convergente (2), o feixe laser incidente não sofrerá mudança no seu percurso e, portanto, não alterará o padrão de anéis. Um padrão de anéis obtido com uma amostra de chá preto diluído em etanol com um feixe laser cujo comprimento de onda é λ=532 nm é mostrado na FIGURA 2.

[016] Como a formação de anéis de interferência por automodulação espacial de fase depende da absorção da luz do laser incidente, materiais com diferentes propriedades de absorção óptica podem requerer a utilização de lasers com diferentes comprimentos de onda. Assim, é possível dotar o equipamento com lasers de diferentes comprimentos de onda na faixa visível do espectro eletromagnético, tipicamente nas cores azul, verde e vermelho. Com o objetivo de utilizar o equipamento com amostras pouco absorvedoras, se não for possível utilizar um feixe laser de alta potência, é possível utilizar uma lente com uma curta distância focal. Para um dado feixe laser de certa largura, quanto menor a distância focal, menor a cintura do feixe no foco e, portanto, mais concentrada se encontra a energia do laser.

[017] Através de uma padronização na preparação de amostras líquidas e sólidas transparentes e da elaboração de um banco de dados, é possível utilizar a técnica para a identificação da composição de amostras líquidas e sólidas, determinado a sua natureza e grau de pureza.

[018] A formação do padrão de anéis é muito rápida em termos práticos, sendo da ordem de milissegundos, o qual é o tempo que leva induzir a mudança do índice de refração do meio por efeito da absorção óptica da luz. Assim, o tempo total de processamento automático da informação, sendo este o tempo de variação da potência do laser, a formação do padrão de anéis, o registro da imagem, contabilização do número de anéis e o ajuste linear dos dados, pode ser completado em apenas alguns segundos.

[019] Este dispositivo pode ser aplicado tanto amostras sólidas quanto líquidas transparentes e delgadas.

[020] As vantagens deste dispositivo de análise frente a outros são:

• a- o fato de ser um equipamento relativamente simples, com poucos elementos, o que traz a diminuição do custo de aquisição, manutenção e de substituição de peças.
• b- o tempo relativamente curto de realização de uma medida, o qual permite a obtenção rápida de um resultado final para um laudo, por exemplo.
• c- o número relativamente pequeno de elementos torna possível a produção de um equipamento de pequenas dimensões que pode ser transportado com facilidade para realizar medidas in loco onde for necessário realizar uma inspeção de um material que está sendo produzido ou comercializado.

[021] Um exemplo da aplicação do método de análise aplicada na invenção proposta foi publicado na revista Braz. J. Phys. (2020) 50, 394 (D. L. M. de Souza, M. V. G. Bittencourt, V. M. Lenart, G.K. da Cruz, R. F. Turchiello, S.L. Gómez, Nonlinear optical response of Chinese teas probed by spatial selfphase modulation).

Claims (7)

1. Analisador fototérmico de fluídos e sólidos transparentes baseado na automodulação espacial de fase de um feixe laser Gaussiano caracterizado por conter um ou mais lasers com perfil espacial de intensidade gaussiano.
2. Analisador fototérmico caracterizado por ter como partes integrantes do arranjo uma lente convergente para incrementar a intensidade sobre a amostra, incrementando assim a sensibilidade do aparelho.
3. Analisador fototérmico caracterizado por ter o um porta-amostra que permita posicionar a amostra em duas posições, sendo uma no ponto focal da lente convergente e outra a uma distância z0 do ponto focal da lente.
4. Analisador fototérmico caracterizado por conter um dispositivo de registro digital da imagem do padrão de anéis formado atrás da amostra, como por exemplo uma câmera CCD ou qualquer outro dispositivo que capture uma imagem e permita a sua análise posterior.
5. Analisador fototérmico caracterizado por conter um sistema de análise de imagens, que permita obter o número de anéis formados
6. Analisador fototérmico caracterizado por incluir e um sistema de análise de dados para fazer a linearização da relação entre o número de anéis formados e a potência incidente do laser (N vs P) que permita fornecer o índice de refração não-linear n2 do meio.
7. Analisador fototérmico caracterizado por incluir um banco de dados que me permita fazer, por comparação, uma identificação da composição e grau de pureza da amostra.

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