Análise dos efeitos de luz parcialmente coerente em medidas de termometria por luminescência

Abstract

Sistemas luminescentes que apresentam processos multifotônicos são objeto de grande inte- resse e aplicabilidade em diversas áreas da ciência e da tecnologia. Todavia, o grande número de estados excitados que podem ser acessados por fontes de luz acessíveis e a alta probabili- dade de decaimento radiativo partindo de tais estados faz com que não seja incomum observar sobreposições espectrais provenientes de bandas de emissão distintas, principalmente ligadas a processos multifotônicos de diferente ordens e processos. Esse fenômeno pode prejudicar severamente a análise de resultados experimentais, como, por exemplo, nas medidas de tem- peratura na termometria por luminescência. Por exemplo, já foi mostrado pelo nosso grupo que desconsiderar os efeitos das contribuições da banda de três fótons nas bandas detectadas pode acarretar problemas sérios na interpretação dos resultados de medidas de Luminescence Intensity Ratio (LIR). No presente trabalho, pretende-se investigar como a coerência espacial parcial da luz utilizada para excitação afeta a LIR. Este é um aspecto pouco explorado na literatura, mas que é de grande interesse para a nanotermometria. Por exemplo, a coerência espacial varia quando a luz propaga em materiais biológicos, de forma que compreender tais efeitos é importante para aplicações. Para verificar tais efeitos experimentalmente, foi utili- zado um feixe contínuo no infravermelho próximo (977 nm) como fonte de excitação de uma amostra de nanopartículas de NaYF4 codopadas com Yb3+ e Er3+ suspensas em tolueno. Com o objetivo de emular os efeitos da luz propagando-se em materiais difusores, tal como tecidos biológicos, foram utilizados filtros difusores que imprimem padrões de fase aleatória sobre a frente de onda. Inicialmente foi caracterizada a intensidade da luz emitida em cada linha de emissão em função da excitação, com a amostra mantida em temperatura constante. Neste primeiro conjunto de resultados, foi observado que cada emissão possui uma dependência di- ferente com a potência de excitação, a depender do estado de coerência da frente de onda. As emissões termicamente acopladas (iniciadas nos niveis 2H11/2 e 4S3/2) variam de forma semelhante. No entanto, a luminescência associada à excitação por três fótons, originada a partir do nível 2H9/2, varia de forma distinta daquela dos níveis termicamente acoplados. Em particular, foi observado que nos casos de coerência espacial parcial, a emissão proveniente do decaimento do nível 2H9/2 é mais intensa e cresce mais rapidamente com a potência usada para a excitação das partículas. Esta é uma observação importante, pois indica que a relevância da contaminação do espectro utilizado para a LIR pode depender da propagação dentro de meios espalhadores. Enquanto a dependência da LIR com a propagação em meios absorvedores é bem conhecida, o efeito que observamos ocorre em meios transparentes, algo pouco considerado na literatura. Posteriormente, verificamos como as medidas de temperatura são afetadas por um procedimento de calibração que desconsidera tal contaminação espectral. Para tal, foram considerados dois regimes de excitação da amostra: um com potência P constante e outro com a intensidade I mantida constante. Para a excitação da suspensão com um feixe gaussiano, ambos os regimes devem fornecer resultados idênticos, visto que a relação entre a potência e a intensidade envolve apenas a área transversal do feixe. Entretanto, a variação da coerência espacial modifica a estatística das flutuações de intensidade e a área transversal do feixe. En- quanto o regime de potência constante se assemelha a um ajuste realizado considerando as propriedades do laser usado para a excitação, o regime de intensidade constante se assemelha a um procedimento de calibração onde se quer garantir um determinado nível de relação sinal- ruído no sistema de detecção. Foi observado que em ambos os cenários, P ou I constantes, a LIR independe da coerência espacial da luz utilizada para excitar a amostra quando apenas os níveis termicamente acoplados são considerados. Esta é uma verificação importante, pois indica a robustez da LIR sob propagação em meios espalhadores quando a luz detectada não está contaminada por emissões espúrias. Por outro lado, ao incluir a contaminação pela lu- minescência originada do nível 2H9/2, observou-se que no regime de P constante, a perda de coerência espacial leva a uma redução da influência do nível 2H9/2 nas leituras de temperatura. Isto pode ser compreendido ao considerar que a intensidade média deve diminuir neste regime pois a área ocupada pelo feixe tipicamente aumenta. Por outro lado, no regime de I constante, os feixes com maiores flutuações espaciais na intensidade levam a maiores desvios nas leituras de temperatura. As medidas realizadas indicam que, caso a contaminação pela emissão de três fótons seja relevante, a variação no grau de coerência espacial pode levar desvios sistemáticos nas leituras de temperatura que podem superar 20K. Considerando que buscam-se termôme- tros capazes de atingir resoluções de 0.1 K, e até onde sabemos tais efeitos sistemáticos sobre a calibração nunca foram reportados na literatura, a presente dissertação deve contribuir para uma melhor compreensão do uso de termômetros luminescentes em materiais espalhadores.