Violeta de genciana y óptica no-lineal de segundo-orden

Fig 1. Esquema tridimensional de la
estructura molecular
del violeta de genciana.

Los efectos ópticos no-lineales  (ONL) prometen una nueva generación de dispositivos fotonicos innovadores, que incluso pueden desbancar a muchos aparatos electrónicos de hoy. Mientras esa vaticinio se acerca, los investigadores hacemos experimentos con diferentes materiales en la búsqueda de los más eficientes, duraderos y económicos para exhibir fenómenos ópticos particulares.

Tal es el caso del fenómeno no-lineal de la generación de segundo armónico óptico. En este efecto dos fotones láser de la misma frecuencia se transforman en un solo foton láser con el doble de frecuencia. Por ejemplo, la radiación infrarroja se trasforma en una emisión verde. Tradicionalmente, se emplean materiales inorgánicos (como el BaTiO2) para mostrar este fenómeno. Sin embargo, para obtener estos materiales se requiere de un delicado procesamiento, mucha infraestructura, bastante tiempo y una gran inversión para obtener cristales de un par de centímetros cuadrados. Una ruta que puede ser muy prometedora es utilizar materiales orgánicos. En esta ocasión, nosotros exploramos esta vía dispersando violeta de genciana en un vidrio sol-gel. Y obtuvimos resultados muy buenos :)

Fig. 2. a) Fase liquida del sonogel con la solución
de violeta de  violeta de genciana. b) Después de un par
de semanas, en condiciones estándar,
se obtiene un monolito estable.  

El violeta de genciana es un compuesto orgánico comercial muy popular. Se le utiliza como tinte de cabello, para revelar huellas dactilares. También se le puede emplear como antiseptico, entre otras aplicaciones industriales. Para óptica es un material interesante por tener una alta transferencia de carga eléctrica que le brinda propiedades fluorescentes, pero también este material es adecuado para desplegar efectos ONL. Así, en el régimen octupolar presenta efectos ONL de segundo orden. En la Fig. 1, se puede ver la estructura simétrica de la molécula en una representación 3D. 

Entonces, disoluciones saturadas de violeta de genciana se dispersaron en la fase líquida del sonogel (material del que hablando anteriormente). De tal modo, en este material híbrido, el violeta de genciana brinda la propiedad óptica deseada, mientras que el sonogel aporta un soporte transparente, inerte y estable. En la Fig. 2. se aprecia  un molde de teflon de 2 mL de capacidad donde se han añadido el sonogel y la solución orgánica; después las muestras son aisladas y tapadas por tres semanas a temperatura y presión ambiente. Luego de este tiempo, se obtienen pastillas sólidas y estables: nuestro material híbrido. Él que esta listo para ser analizado en diferentes pruebas fotofísicas.

Señales de generación de
segundo armónico óptico

Efectivamente, encontramos que las propiedades ópticas del material son dependientes de la cantidad de material orgánico dispersado en la matriz vítrea. Propiedades como el índice de refracción, absorción y fluorescencia  pueden ser controladas fácilmente al variar las razones entre los materiales constituyentes.

De mismo modo, la generación de segundo armónico también depende del la cantidad de violeta de genciana en el material. Mejor aún, en algunas muestras, obtuvimos señales de ONL del orden de una muestra estándar de cuarzo. Lo cual es importante pues demuestra la vialidad y alta eficiencia que pueden brindar los materiales orgánicos y especialmente los octupolares.

De hecho, no se realizaron más procesamientos a estas muestras, pues los materiales octupolares, pese a ser de la clase centrosimetrica, pueden mostrar efectos ONL de segundo-orden. Otros materiales orgánicos necesitan una pre-orientación en sus moléculas para mostrar tales fenómenos ópticos. Tales procesos, en la mayoría de los casos, son muy lentos y no prometen una estabilidad duradera. Por ello, los compuestos octupolares son una gran opción de investigación en óptica no-lineal. Por su puesto, más detalles de esta investigación se encuentran en el documento de referencia.

Ciertamente, el sonogel es un material al que hay que seguirle la huella por sus destacadas propiedades. Pero... pero esa es otra historia.

Referencia

Torres-Zúñiga, V., & Morales-Saavedra, O. (2012). Structural and nonlinear optical properties of Crystal-Violet octupolar dyes dispersed in bulk SiO2-sonogel optical-glasses Materials Chemistry and Physics, 133 (2-3), 1071-1082 DOI: 10.1016/j.matchemphys.2012.02.018


Por cierto, esta entrada participa en el XIV Carnaval de Química que hospeda el blog educación química.