Excitação não-convencional em 1064 nm por avalanche de fótons de íons de neodímio trivalentes

Íons terras-raras trivalentes estão cada vez mais sendo estudados devido a suas propriedades ópticas. Neste trabalho estudamos o fenômeno de conversão ascendente de energia em cristais de Borato de alumínio dopados com íons de neodímio (NdAl₃(BO₃)₄) e a importância da temperatura neste processo, onde através de um mecanismo de excitação com um feixe de excitação fora da ressonância com transições do estado fundamental dos íons de neodímio (Nd³⁺), porém ressonante com alguma transição do estado excitado, desencadeamos a avalanche de fótons caracterizado pelo aumento das emissões em certos comprimentos de ondas devido ao relaxamento cruzado entre os íons de Nd3+. Excitar as nanopartículas de Nd³⁺ em um comprimento de onda de 1064 nm, que é um feixe não ressonante com nenhuma transição do estado fundamental, implicaria na não absorção dos fótons incidentes, entretanto, através de aniquilação de fônons da rede da matriz hospedeira, os íons completam a transição para um nível excitado ⁴F_3/2, aumentando consideravelmente a sua população. Estes íons agora interagem com a população de íons do nível ⁴I_9/2, onde ambos promovem um íon para um nível intermediário, o ⁴I_15/2. Por proximidade, os íons nesse estado intermediário relaxam não-radioativamente para os níveis ⁴I_13/2 e ⁴I_11/2, e estes, por sua vez, são ressonantes com o feixe de excitação levando-os novamente para o nível ⁴F_3/2. Assim, terminamos com dois íons nesse estado excitado, que irão interagir com o nível ⁴I_9/2 formando um ciclo de excitação que segue uma forma de progressão geométrica. Observamos neste trabalho que, ao realizar a medida em temperaturas fixas (23°C ≤ T ≤ 215 °C), o valor de potência do feixe de excitação necessário para desencadear a avalanche diminui consideravelmente. Em um segundo experimento, desencadeamos a avalanche variando a temperatura dado um valor fixo de potência do laser de excitação: as pesquisas mostram-se promissoras e com possíveis aplicações em áreas como; termometria óptica, tratamentos de hipertermia, imagens de super-resolução e desenvolvimento de sensores supersensíveis. 

Trivalent rare earth ions are being studied more and more due to their optical properties. In this monograph, we study an energy up-conversion phenomenon in aluminum borate crystals doped with neodymium ions (NdAl₃(BO₃)₄) and the importance of temperature in triggering the event, wherein through an excitement mechanism with a excitement beam out of resonance with a fundamental state transition of neodymium ions (Nd3+), but resonant with an excited state transition, we unleash an photons avalanche mechanism augmenting emissions in certain wavelengths due to the cross relaxation between the earth rare ions Nd³⁺. Exciting the Nd³⁺ at a 1064 nm wavelength, which isn’t a resonant beam with any fundamental state transition, would implicate in the non-absorption of incident photons, however, through the photons annihilation of the host network matrix, the ions complete the transition to the ⁴F_3/2 level, fairly increasing its population. These ions now interact with the ion population of the ⁴I_9/2 where both give an ion to an intermediary level, the ⁴I_15/2. By proxy, the ions in this intermediate state relaxation non-radioactively to the ⁴I_13/2 and ⁴I_11/2 levels, and these, in turn, are resonant with the excitement beam, taking the ions back to the ⁴F_3/2 level. Thus, we end up with two ions in this excited state, that will in turn react with the ⁴I_9/2 level. Forming an excitement cycle that follows a geometric progression. In this study we observed that by making the measurements at fixed temperatures (23°C ≤ T ≤ 215 °C), the value of the excitement beam’s power needed to unleash the avalanche decreases considerably. In a second experiment, we unleashed the avalanche varying the temperature given a fixed excitement laser power, and the research showed promise and with possible applications in areas such as; optical thermometry, hyperthermia treatments, development of super-resolution images and super-sensitive sensors.