Aplicação da técnica de lente térmica pulsada em nanossegundos na caracterização de fluidos

Abstract

Resumo: Neste trabalho investigamos, em líquidos dielétricos, os coeficientes piezo-ópticos e termo-ópticos, bem como as forças opticamente induzidas, parâmetros centrais para o projeto e a otimização de dispositivos ópticos e fotônicos modernos. Para isso, utilizamos métodos ópticos de lente térmica e de lente fotoinduzida em configuração pulsada, nos quais um pulso de laser gera um gradiente de temperatura localizado, lança ondas de pressão e produz um perfil de índice de refração com comportamento de lente, provado por um segundo feixe. A análise teórica e experimental do sinal de intensidade permite obter, de forma quantitativa, um conjunto abrangente de propriedades físicas de diferentes líquidos, incluindo a dependência com a temperatura dos coeficientes piezo-ópticos e termo-ópticos, evidenciando de modo claro o comportamento anômalo da água em torno de 4 °C. Mostramos ainda que é possível desacoplar temporalmente os efeitos térmicos e não lineares da contribuição eletrostritiva, possibilitando a observação isolada da eletrostrição como tensão eletromagneticamente induzida no meio. Os resultados são interpretados à luz de um formalismo eletromagnético microscópico do tipo Ampère, em que a densidade de força óptica é obtida, oferecendo uma descrição consistente das forças ópticas em líquidos e apontando aplicações em comunicação óptica, imageamento ultrassônico, sensoriamento, óptica adaptativa e pesquisa fundamental.

Abstract: In this work, we investigate in dielectric liquids the piezo-optic and thermo-optic coefficients, as well as optically induced forces, which are key parameters for the design and optimization of modern optical and photonic devices. To this end, we employ fully optical thermal-lens and photoinduced-lens methods in pump-probe configurations, in which a laser pulse generates a localized temperature gradient, launches pressure waves, and produces a lens-like refractive-index profile that is probed by a second beam. The theoretical and experimental analysis of the intensity signal allows us to quantitatively retrieve a comprehensive set of physical properties for different liquids, including the temperature dependence of the piezo-optic and thermo-optic coefficients, clearly revealing the anomalous behavior of water around 4 °C. We further show that the thermal and nonlinear refractive contributions can be temporally decoupled from the electrostrictive response, enabling the isolated observation of electrostriction as an electromagnetically induced stress in the medium. The results are interpreted within a recently proposed microscopic Ampère-type electromagnetic formalism, in which the optical force density is derived, providing a consistent description of optical forces in liquids and pointing to applications in optical communication, ultrasonic imaging, sensing, adaptive optics, and fundamental research.