Production and characterization of light scattering materials based in Nd3+ doped tellurite glasses for application in random lasers

O desenvolvimento da fotônica não teria sido possível, sem materiais adequados para a geração, transmissão e manipulação da luz. O surgimento dos lasers foi um dos marcos para o desenvolvimento deste importante campo, que hoje é tido como estratégico para o aumento da competitividade de vários setores industriais. A fabricação de lasers de estado sólido, por exemplo, envolve a obtenção de meios de ganho baseados em substratos vítreos ou monocristalinos com baixíssima concentração de defeitos estruturais e dopados com íons de terras raras, como o Nd3+, por exemplo. Isto porque defeitos estruturais são deletérios e podem comprometer enormemente a performance dos dispositivos. Dentro do vasto campo dos lasers, destacam-se os lasers aleatórios - random lasers (RLs), que diferentemente dos lasers convencionais, caracterizam-se, entre outros aspectos, por não possuírem uma cavidade ressonante pré-definida. Nestes tipos de lasers, o espalhamento múltiplo da luz, que é evitado nos lasers convencionais, é justamente o fenômeno que gera a realimentação necessária para a amplificação óptica. Por esse motivo, os RLs podem ter processos de fabricação menos complexos, e possibilitam o emprego de uma maior gama de materiais como possíveis meios de ganho. A baixa coerência temporal e espacial dos RLs é vantajosa, por exemplo, para obtenção de imagens de alta definição, livres de granulação (speckle). Este projeto tem como objetivo principal estudar e caracterizar meios de ganho baseados em pós de materiais vítreos para aplicações como fontes emissoras de RL. Dessa forma, a operação de laser aleatório é relatada pela primeira vez em pós de vidros teluritos de zinco (TZO) dopados com íons de neodímio (Nd3+). O vidro TZO foi preparado pela técnica convencional de fusão seguida por resfriamento rápido. O vidro foi posteriormente submetido a moagem para a obtenção de partículas com tamanho médio de ~ 1 µm. Todas as amostras analisadas mostraram uma banda ampla devido à emissão espontânea amplificada - amplified spontaneous emission (ASE) - centrada em 1068 nm, correspondendo à transição 4F3/2 -> 4I11/2, sob excitação pulsada a 585 nm, ressonante com transição 4I9/2 -> {4G5/2, 2G7/2}. O laser aleatório foi alcançado apenas para amostras com concentrações de Nd2O3 superiores a 2,0 % em peso, apesar da ocorrência de supressão da emissão luminescente - luminescence concentration quenching (LCQ). Limiares de energia de pulso de excitação (EPE) para ação de laser aleatório foram observados em 8 e 5 µJ/mm2 para amostras dopadas com 5,0 e 10,0% em peso de Nd2O3, respectivamente. Os pós analisados atuam simultaneamente como meio de ganho e espalhadores; o mecanismo de realimentação do RL é atribuído às reflexões de luz nas interfaces das partículas e o ar. Além disso, acima do limiar laser, observou-se o aparecimento de um pulso de emissão rápido, na faixa de nanossegundos, o que é característico da ação laser. Por outro lado, o tempo de decaimento na fotoluminescência e ASE é da ordem de microssegundos. Os dados experimentais são comparados a um modelo de equação de taxas que corrobora os principais resultados experimentais. Os resultados apresentados neste trabalho mostram que o vidro TZO pode ser empregado como meio desordenado promissor para fontes de laser aleatório.Photonics development would not have been possible without adequate materials for the generation, transmission, and manipulation of light. The emergence of lasers was one of the milestones for the development of this important field, which today is considered strategic for increasing the competitiveness of various industrial sectors. Solid state lasers manufacturing, for example, involves obtaining gain media for lasers based on glassy or single crystal substrates with a very low concentration of structural defects and doped with rare earth ions, such as Nd3+, for example. This is because structural defects are harmful and can greatly compromise the performance of the devices. Within the vast field of lasers, random lasers (RLs) are notable. Unlike conventional lasers, RL do not have a predefined resonant cavity. In these kinds of lasers, multiple scattering of light, which is avoided in conventional lasers, is precisely the phenomenon that generates the necessary feedback for optical amplification. For this reason, RLs can have less complex manufacturing processes, and may allow the use of a wider range of materials for potential gain media. The low temporal and spatial coherence of RLs is advantageous, for example, for obtaining high-definition speckle-free images. This project aims to study and characterize novel gain media based on powders of glass materials for applications as sources RL sources. RL operation is reported for the first time in zinc tellurite glass powders (TZO) doped with neodymium ions (Nd3+). TZO glass was prepared by the conventional melt-quenching technique. The materials were subsequently subjected to grinding to obtain particles with an average size of ~ 1µm. All samples showed a wide emission band, due to amplification of the spontaneous emission (ASE) centered at 1068 nm, corresponding to the transition 4F3/2 -> 4 I11/2, under pulsed excitation at 585 nm, resonant with transition 4I9/2 -> {4G5/2, 2G7/2}. RL was achieved only for samples with Nd2O3 concentrations greater than 2.0% by weight, despite the occurrence of luminescence concentration quenching. Threshold pulse energy (EPE) for laser action were observed at 8 and 5 µJ/mm2 for samples doped with 5.0 and 10.0% by weight of Nd2O3, respectively. The powders acted simultaneously as gain media and scatterers; RL feedback mechanism is attributed to light reflections at particle and air interfaces. In addition, above the laser threshold, a rapid emission pulse was observed, in the nanosecond range, which is characteristic of the laser action. On the other hand, the photoluminescence and ASE decay time are in the order of microseconds. The experimental data were compared to a rate equation model that corroborates the main results. Thus, the results presented in this work showed that TZO glass can be used as a promising disordered medium for random laser