[pt] Neste trabalho são apresentados os resultados referentes ao desenvolvimento de um sistema interferométrico primário, o interferômetro Linnik, para medidas de comprimento de amostras na escala micrométrica e nanométrica. O sistema experimental foi caracterizado e otimizado para prover rastreabilidade a degraus de altura, usados como referência na escala de comprimento. As principais fontes de incerteza foram avaliadas, sendo a planicidade do artefato o parâmetro com o maior valor de contribuição para a incerteza final. A estabilidade do sistema de referência pode ser mostrada através da alta reprodutibilidade apresentada ao longo de algumas semanas de medição. Este também serviu como base para prover a rastreabilidade no SI, para instrumentos ópticos tais como OCT, AFM e microscópios confocais, sendo os dois últimos usados na área de nanotecnologia. Estes instrumentos foram calibrados usando como padrão de transferência os degraus de altura, previamente avaliados no interferômetro Linnik. Com isto, foi estabelecida a rastreabilidade na escala de comprimento para alguns institutos no país. / [en] In this work are presented the results related to the development of a primary interferometric system, the Linnik interferometer for length measurements of samples in the micrometer and nanometer scales. The experimental system has been characterized and optimized to provide traceability to step height, used as the reference standards in length scale. The main sources of uncertainty were evaluated, and the flatness of the artifact was the parameter with the highest contribution to the final uncertainty. The stability of the reference system can be demonstrated through the reproducibility that was evaluated over several weeks. This system also served as the basis to provide traceability to the SI for optical instruments such as OCT and confocal microscopes AFM, the latter two being used in the field of nanotechnology. These instruments were calibrated using step heights, as transfer standards, that were previously evaluated in Linnik interferometer. Therefore, it was established the traceability in length scale for some institutes in the country.

[pt] A maioria dos métodos de avaliação de ondas vibratórias é realizada através do contato entre o sensor e o objeto a ser analisado. Esse requisito de contato impõe algumas limitações de quais objetos podem ser avaliados, como por exemplo, o tamanho do mesmo. Uma técnica que expandiu a capacidade de medição se comparado aos sensores tradicionais de vibração é a vibrometria laser doppler. Ela possibilita medições não intrusivas com alta resolução espacial e tempo de teste reduzido. Dentre as várias aplicações que se beneficiam das aquisições com o vibrômetro laser doppler, o imageamento fotoacústico se encontra no centro do objetivo deste trabalho. O imageamento fotoacústico é uma tecnologia emergente que supera o alto espalhamento óptico em amostras biológicas utilizando o efeito fotoacústico. Ele combina aspectos de imageamento óptico e ultrassom e, consequentemente, algumas de suas vantagens: imagear certos componentes biológicos em profundidades de alguns centímetros e com alto contraste. A técnica mais direta de obter imagens em um sistema fotoacústico é a excitação pontual da amostra e a detecção por varredura. O foco deste trabalho é analisar e implementar uma técnica óptica para detecção das vibrações ultrassonoras em um sistema fotoacústico. Foram avaliados diferentes sistemas interferométricos experimentais, tanto por mapeamento pontual quanto por campo pleno. O princípio da interferometria e a teoria das medições quantitativas são apresentados para explicar as técnicas experimentais utilizadas para aquisição das ondas vibratórias. Igualmente, a técnica de processamento do sinal vibratório é discutida. Dentre as técnicas testadas experimentalmente, duas foram implementadas, analisadas e discutidas em detalhe e seus resultados foram apresentados e comparados entre si. A primeira técnica discutida é o Laser Optical Feedback Imaging (LOFI), um interferômetro heteródino que utiliza a dinâmica do laser e a sua grande sensibilidade ao fenômeno de reinjeção óptica para realizar medições de alta precisão do sinal retroespalhado da amostra. Essa técnica realiza suas aquisições ponto a ponto, através do do escaneamento do feixe do laser na superfície da amostra. Esse modo de aquisição possui um tempo de teste e processamento elevado, mas com alta resolução espacial e com a possibilidade de medir a região transitória. A segunda técnica utilizada para a aquisição de medidas de vibrações ultrassonoras é o estroboscópio Mach-Zehnder, um interferômetro de campo pleno que possibilita a aquisição do padrão de speckle de toda a região de interesse da amostra com baixo tempo de aquisição e processamento. Dessa forma, essa técnica tem um grande potencial para aplicações em tempo real. Os resultados experimentais de ambos os sistemas são apresentados e discutidos em detalhe. Um transdutor piezoelétrico é utilizado para as medições com os dois sistemas, com as mesmas características de teste. Adicionalmente, são apresentados os resultados com a técnica LOFI quando o ganho não-linear é compensado. Esse tipo de teste não é possível no sistema estroboscópico Mach-Zehnder campo pleno, considerando que apenas o LOFI é capaz de realizar medidas transitórias. Para concluir o trabalho, são discutidos e comparados os principais parâmetros para as técnicas testadas: ruído, potência do laser, resolução espacial, resolução temporal, e tempo de aquisição. / [en] Photoacoustic imaging combines aspects of optical and ultrasound imaging and, consequently, combines some of their particular advantages: imaging of specific tissue components in a depth up to several centimeters becomes possible with a high image contrast. The most straightforward strategy to produce photoacoustic images is point-wise excitation and detection in a scanning mode. The main focus of this work is to analyze and implement optical techniques to detect ultrasound vibrations in a photoacoustic system. We evaluate different interferometric systems, both point scanning and full field. Two techniques that were implemented and further discussed are the Laser Optical Feedback Imaging (LOFI), which is a sensitive, point scanning, heterodyne interferometer that uses the dynamics of the laser, and a full field, stroboscopic Mach-Zehnder to acquire ultrasound vibration measurements.We discuss the results from each system and its advantages with the intended application.

[pt] Interferometria tem sido utilizada para estudar uma variedade de efeitos físicos, desde os experimentos iniciais de Michelson e Morley que forneceram evidências para a teoria da relatividade restrita até os aparelhos de detecção de ondas gravitacionais utilizado no Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). O Propósito dessa dissertação é entender como explorar anyons e suas características únicas para construir interferômetros. Anyons são quasipartículas bi-dimensionais conhecidas por apresentarem estatística fracionária e possuírem aplicações em modelos de computação quântica. Para estudar sua utilidade no contexto de interferometria nós apresentamos uma perspectiva de computação quântica para experimentos de interferência. Em seguida, introduzimos modelos anyônicos e suas aplicações em computação quântica universal. Propomos um circuito quântico que implementa um certo tipo de interferômetro, e como realizá-lo em diferentes modelos anyônicos. Finalmente, discutimos um modelo de computação quântica baseado em ótica linear de anyons fermiônicos que permitiria a criação de uma versão lógica do nosso interferômetro em termos de um interferômetro físico. / [en] Interferometry has been used to study a variety of physical effects, from the early experiments of Michelson and Morley that provided evidence to special relativity to the more recent gravity-wave detection devices used by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) experiment. The purpose of this thesis is to understand how one can exploit anyons and its unique characteristics to build interferometers, and understand whether there are immediate advantages in doing so. Anyons are two-dimensional quasiparticles known for their unusual fractional statistics and applications in quantum computing models. To study their usefulness in the context of interferometry, we present a quantum computational approach to interference experiments. Next we give an introduction to anyon models and how they can be used to perform universal quantum computing. We propose a quantum circuit which implements a certain type of interferometer, and how it can be realized in different anyon models. Finally, we discuss a quantum computing model based on linear optics with fermionic anyons that would enable the creation of a logical version of our interferometer in terms of a physical interferometer.

[pt] Nas últimas décadas, interações entre luz e matéria provaram ser uma ferramenta versátil para medir e controlar sistemas mecânicos, encontrando aplicações desde detecção de forças até resfriamento ao estado fundamental de nanoesferas. Nesta dissertação, nós apresentamos algumas das ferramentas teóricas necessárias para descrever interferômetros, pinças ópticas e cavidades ópticas, constituintes fundamentais da caixa de ferramentas optomecânica. No regime clássico, estudamos o campo eletromagnético circulante em interferômetros lineares e mostramos como encontrar o campo resultante transmitido, apresentando exemplos de cavidades ópticas com um número arbitrário de elementos dispersivos. Nós também estudamos as forças de pressão de radiação que feixes ópticos podem imprimir em partículas dielétricas e mostramos como o aprisionamento óptico 3D é possível em focos claros e escuros. A potencial aplicação para captura de organismos vivos é estudada. No regime quântico, nós estudamos como o campo ressonante de cavidades ópticas pode interagir de forma dispersiva com diferentes sistemas mecânicos, dando origem a uma dinâmica quântica fechada emaranhante. Ao considerar uma nuvem ultra resfriada de átomos interagindo com dois modos ópticos, mostramos o surgimento de emaranhamento óptico que evidencia a natureza não-clássica do conjunto atômico macroscópico. A viabilidade experimental deste experimento com tecnologia atual é estudada. Além disso, nós investigamos o cenário em que uma pinça óptica posiciona uma partícula levitada dentro de uma cavidade óptica de forma que os fótons da pinça espalhados pela partícula possam sobreviver dentro da cavidade. Já foi demonstrado que esta interação, chamada de espalhamento coerente, pode resfriar nanopartículas até números de fônons menores do que um, atingindo profundamente o regime quântico. Nós mostramos que esta interação também pode gerar emaranhamento mecânico entre muitas partículas levitadas, mesmo em um ambiente a temperatura de 300K. Um resumo sobre sistemas de variáveis contínuas e a caixa de ferramentas numérica customizada usada ao longo deste trabalho são apresentados. / [en] Over the last decades, light-matter interactions have proven to be a versatile tool to measure and control mechanical systems, finding application from force sensing to ground state cooling of nanospheres. In this dissertation, we present some of the theoretical tools that describe interferometers, optical tweezers and optical cavities, fundamental constituents of the optomechanical toolbox. In the classical regime, we study the circulating electromagnetic field within linear interferometers and show how one can find the resulting transmitted field, presenting examples of optical cavities with an arbitrary number of dispersive elements. Moreover, we also study the radiation-pressure forces that optical beams can imprint on dielectric particles and show how 3D optical trapping is possible in both bright and dark focuses. Potential application to trapping of living organisms is studied. In the quantum regime, we study how the resonant field of optical cavities can dispersivelly interact with different mechanical systems, giving rise to an entangling closed quantum dynamics. When considering an ultracold cloud of atoms interacting with two optical modes, we show the emergence of optical entanglement which evidences the nonclassical nature of the macroscopic atomic ensemble. The experimental feasibility of this experiment with current technology is studied. Furthermore, we investigate the scenario where a finely tuned optical tweezer places a trapped particle inside an optical cavity such that the tweezer s scattered photons can survive inside the cavity. This so-called coherent scattering interaction has been shown to cool nanoparticles to phonon numbers lower than one deep into the quantum regime. We show that it also can generate mechanical entanglement between many levitated particles even in a room temperature environment. An overview on continuous variable systems and the custom numerical toolbox used throughout this work are presented.