Instrumentação da técnica de microscopia de lente térmica

Abstract

Resumo: A lente térmica é uma técnica fototérmica que se baseia na indução de gradientes de índice de refração provocados por variações locais nos parâmetros termodinâmicos de um material. As técnicas fototérmicas são altamente sensíveis, possibilitam a caracterização térmica e óptica de materiais e possuem natureza não destrutiva, fundamentando-se na interação luz-matéria no qual a luz absorvida é convertida em calor, alterando propriedades termodinâmicas locais. Como a geração de calor é proporcional à irradiância - fluxo luminoso por unidade de área -, a minimização da área de incidência intensifica os efeitos fototérmicos. Nesse cenário, a microscopia de lente térmica tem se destacado como uma ferramenta relevante para investigação de propriedades termo-ópticas em escala micrométrica, configurando-se também como uma alternativa promissora às técnicas convencionais de microscopia. Este trabalho apresenta a instrumentação dessa técnica, abordando inicialmente as principais técnicas de microscopia óptica e não óptica, os fundamentos dos fenômenos fototérmicos e um modelo simplificado do efeito de lente térmica. São descritos e analisados resultados obtidos com aplicação da técnica em amostras vítreas e histológicas, comparando-se o desempenho do microscópio desenvolvido com uma montagem convencional. Entre os resultados destacam-se imagens de absorbância geradas a partir da amplitude do sinal capturado por lock-in, assim como transientes de lente térmica dos materiais mapeados. Conclui-se que os objetivos de instrumentação foram alcançados, além de apontar possíveis melhorias para a montagem e perspectivas para estudos futuros.

Abstract: Thermal lensing is a photothermal technique based on the induction of refractive index gradientes caused by local variations in a material's thermodynamic parameters. Photothermal techniques offer several advantages, including high sensitivity, the ability to characterize materials both thermally and optically, and a non-destructive nature. They rely on light-matter interactions in which absorbed light is converted into heat, inducing changes in the material's thermodynamic properties. Since heat generation is proportional to irradiance - that is, optical power per unit area - it is advantageous to minimize the illuminated area to enhance photothermal effects. In this context, thermal lens microscopy has emerged over the past decades as a powerful tool for investigating the thermo-optical properties of materials at the micrometer scale, representing a promising alternative to conventional microscopy techniques. This study presents the instrumentation of the thermal lens microscopy technique. First, key optical and non-optical microscopy methods are reviewed, followed by the fundamentals of photothermal phenomena and a simplified model of the thermal lens effect. Finally, results from experiments on vitreous and histological samples are reported and discussed, comparing the performance of the developed microscope with that of a conventional setup. Among the results are absorbance images generated from the amplitude of the lock-in signal, as well as transient thermal lens signals obtained from the mapped materials. In conclusion, the instrumentation objectives were achieved, and potential modifications to the experimental setup and future research directions are discussed.