Two-photon absorption cross section of magnetite nanoparticles in magnetic colloids and thin films

Abstract

We present z-scan measurements of magnetic nanoparticles made from magnetite in both thin film form and colloidal solutions. In order to avoid heating and, thus, spurious effects that could lead to misinterpretation of the z-scan results, an electro-mechanical shutter was added along the beam path in order to guarantee samples thermal relaxation. Two photon absorption coefficient β and nonlinear refractive index n2 were measured as a function of concentration N of absorbing units (Fe3O4). Our magnetite samples presented n2≈−1.5×10−14 cm2/W, similar to that of the liquid carrier, for concentrations below 2×1020 cm−3. n2 increases, in absolute value, to about −10×10−14 cm2/W for a sample three times more concentrated and then decreases with N until about −7×10−14 cm2/W for the most concentrated sample. β presented a linear dependence with N and the two-photon absorption cross section σ2PA was calculated, resulting in σ2PA=50(2) GM for magnetite nanoparticles.

Propriedades ópticas não lineares de segunda e terceira ordem de coloides magnéticos

“…Posto que a incidência de luz em um meio dielétrico induz a formação de dipolos devido a separação de cargas ligadas, sendo que a polarização resultanteé uma característica dos constituintes do material [83,94], a unidade básica correspondeàs unidades cristalográficas, ou seja, a magnetita (Fe 3 O 4 ) no caso das amostras FluidMAG-OS ou a ferrite de manganês e zinco, Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 , para as amostras MZS e MZC. Essa forma de normalização foi utilizada em trabalhos anteriores [54] e permite a comparação de resultados experimentais obtidos com diferentes sistemas. Para um sistema coloidal cuja fração volumétrica de material sólido em solução φé conhecida, o número de unidades básicas por unidade de volume Ń e calculado como:…”

“…A fim de evitar fenômenos cumulativos que pudessem levar a efeitos térmicos durante as medidas [54,56], a taxa de repetição foi reduzida para 100 Hz por meio do sistema eletrônico de controle de entrada de pulsos no estágio de amplificação. Ao contrário do que ocorreu quando a taxa de repetição foi alterada por meio de um seletor de pulsos [54], a mudança da taxa de repetição dessa maneira não resultou em pulsos de baixa energia incidentes na amostra, que a altas taxas de repetição podem induzir efeitos térmicos, conforme verificado em experimentos anteriores [54,99]. Não obstante, buscando verificar a existência de fenômenos cumulativos mesmo a taxa de repetição de 100 Hz, foram realizados experimentos em que um obturador eletromecânico foi adicionado ao caminho do feixe e acionado eletronicamente, permanecendo 10 ms aberto, permitindo a passagem de umúnico pulso, e 2 s fechado.…”

“…Conforme verificado em trabalhos anteriores [54,113],é de extrema importância garantir a inexistência de fenômenos térmicos, que ocorrem devido a efeitos cumulativos [54,56], durante medidas de propriedadesópticas não lineares de ferrofluidos. Portanto, buscando verificar a influência de tais fenômenos, foram realizadas medidas de espalhamento não linear por nanopartículas magnéticas em função da taxa de repetição do chaveador-Q do laser, com valores entre 5 Hz e 800 Hz, sem alteração da taxa de repetição dos pulsos de picosegundos, obtidos por travamento de fases.…”

“…Portanto, não houve tempo suficiente para que a amostra relaxasse ao estado inicial antes da chegada do trem de pulsos seguinte. Como o tempo entre pulsos foi menor que 10 ms, tempo característico de formação de lente térmica, foi possível a formação de um gradiente térmico na amostra, originando fenômenos cumulativos [54,56].…”

“…Nosúltimos anos, trabalhos realizados no Grupo de Fluidos Complexos do Instituto de Física, USP, descreveram a influência do aquecimento de amostras de ferrofluidos em medidas de varredura-Z com pulsos ultrarrápidos, discutindo os efeitos da taxa de repetição dos pulsos [53] e caracterizando os efeitos cumulativos em coloides magnéticos e filmes finos produzidos a partir destas soluções [54]. Nesse caso, o arranjo experimental utilizado consistiu em um laser de titânio:safira emitindo pulsos de 800 nm, cerca de 200 femtosegundos de duraçãoà taxa de repetição de 80 MHz, que foi reduzida a 80 Hz por um seletor de pulsos.…”