[pt] O presente trabalho apresenta um estudo sobre a viabilização de uma traçadora gráfica à laser, de funcionamento vetorial, para a produção de desenhos de grandes dimensões. A grande vantagem deste conceito é a obtenção de elevada velocidade de risco devido às peças móveis de número e dimensões reduzidas. Uma aplicação típica é o risco de encaixe na indústria de confecção. A recente construção de um protótipo no departamento de Engenharia Mecânica da PUC-RJ indicou a viabilidade prática do conceito. / [en] The present work discusses the feasibility of a vectorial laser plotter for generating large drawing at relativiely high tracing speeds. A typical use for this type of plotter is in the garment industry where large nesting patterns have to be drawn for the fabric cutting process. The building of a prototype at the Mechanical Engineering Department of PUC-RJ has shown the actual feasibility of the concept described in this work.

[pt] A interação entre dois lasers semicondutores operando em regime de chaveamento de ganho foi estudada, em função do comprimento de onda e das condições de operação de cada um. Mostrou-se que um laser netas condições pode operar como um detetor com resolução de até alguns picossegundos, num sistema de amostragem óptica. / [en] The interaction of two gain-switched semiconductor lasers was studied as a function of wavelength and operation condition of each one. It has been shown that a laser under these conditions can function as a detector with time-resolution up to a few picoseconds for an optical sampling system.

[pt] Os amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFAs) têm se mostrado como uma alternativa bastante atraente para aumentar a capacidade de sistemas de comunicações por fibras ópticas operando na terceira janela de transmissão de fibras convencionais (lambda = 1.55 mi m). Consideráveis esforços têm sido direcionados ao aprimoramento do desempenho desses dispositivos. O potencial de aplicação em telecomunicações é grande e motiva o estudo do desempenho dos enlaces com o uso de EDFAs. A maior parte das contribuições teóricas sobre influência de amplificadores ópticos no desempenho dos receptores consiste de métodos que são fáceis de usar mas muito aproximado - o que pode conduzir a estimativas bastantes imprecisas -, ou muito precisos mas de utilização extremamente difícil - devido a uma complexidade inerente. São apresentados modelos para a simulação de sistemas de comunicações ópticos digitais que consideram as perdas no sinal e as distorções da forma de onda devidas ao efeito combinado do chirping do laser, da dispersão da fibra e da largura de banda finita do receptor. É proposta uma nova abordagem para o cálculo da taxa de erro do sistema e da sensibilidade, que possui a precisão e a simplicidade desejadas. O método desenvolvido considera a interferência intersimbólica (causada pelas distorções) e das contribuições de ruídos dos amplificadores, utilizando-se o método semi-analítico. Esses modelos e o método desenvolvido foram utilizados para introduzir a simulação de sistemas ópticos com EDFAs em um programa já existente de análise de sistemas. Foram realizadas simulações para avaliar as contribuições dos diversos parâmetros dos EDFAs e as implicações de algumas propriedades do sistema no desempenho total do sistema óptico. A comparação com resultados de análises rigorosas, encontrados na literatura, validou a abordagem proposta. / [en] Erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) have shown to be a very attractive alternative to improve the capacity of optical-fiber communications systems operating in the third transmission window of conventional fibers (lambda = 1.55 mi m). Considered efforts have been made towards the performance enhancement of these devices. The possible application potential in telecommunications is indeed large, and has simulated the study of system performance using EDFAs. Most of the previous theoretic contribuitions on the influence of optical amplifiers in the receiver performance consist of methods that are either easy to use but over-approximated - what can lead to quite inaccurate evaluations - or very precise but extremely difficult to use - due to some inherent complexity. Models for the simulation of digital optical communication systems are presented, which account for signal loss and distortion - due to laser chirping, fiber dispersion and detector finite bandwidth. A new semi-analytical method for the evaluation of bit-error rate (BER) and receiver sensitivity is introduced, which possesses the desired accuracy and simplicity. It takes into account the presence of inter-symbol interference (due to signal distortion) and the optical amplifier noises. These modesl and the developed method jhave been the used for introducing simulation of optical systems with EDFAs into a previously existing system evaluation software package. A numbe of simulations was carried out in order to estimate the contribution of EDFA parameters and implications of some system properties in the final performance of the optical system. The comparison with results from rigorous analysis, found in the literature, has validated the proposed approach.

[pt] Neste trabalho apresenta-se um estudo do comportamento dinâmico de laser semicondutor modulado diretamente em intensidade sob fracos e fortes sinais. Através da utilização de dispositivo passivo (filtro supressor) e ativo (FET de dupla porta) de microondas aplaina-se a resposta em freqüência numa faixa em torno de 1,5 GHz. Resultados medidos e modelados são comparados mostrando boa concordância. / [en] This work presents a study of the dynamic behaviour of a semiconductor laser under small and large signal direct intensity modulation. A flat frequency response can be obtained in a bandwidth of around 1,5 GHz by using passive (suppressor filter) and an active (dual-gate FET) microwave device. The measured and modeled results are compared showing good agreement.

[pt] Esta dissertação faz parte de um projeto mais abrangente que visa caracterizar os parâmetros ideais para perfuração e corte a laser em rochas, metais e cimentos tipicamente utilizados na indústria do petróleo. Este trabalho teve por objetivo de caracterizar cortes a laser em placas de aço. Procurou-se correlacionar a morfologia do corte e a formação de rebarbas com parâmetros operacionais, tais como densidade de potência e posição do ponto focal. O estudo foi desenvolvido para o aço SAE 1020 com e sem anteparo rochoso (Travertino). Foram avaliadas também as mudanças na microestrutura de regiões adjacentes do aço duplex 2205 para diferentes faixas de densidade de potência. Finalmente, avaliou-se também o uso do laser no corte do aço inox submerso em água. Conclui-se que existe uma formação de rebarba, que aumenta conforme a densidade de potência diminui. Por outro lado, quanto maior a densidade de potência, maior é a extensão da mudança na microestrutura do aço. O corte de aço com anteparo rochoso abre novas perspectivas para o desenvolvimento de uma ferramenta baseada em laser de alta potência para completação de poços na indústria do petróleo. / [en] This work is part of a larger project that aims to characterize the optimal parameters for laser cutting and drilling into rocks, metals and cement typically used in the oil industry. This study had as objective to characterize laser cuts in steel plates. An attempt to establish a correlation between the morphology of the cut and the burrs with operating parameters such as power density and position of the focal point. The study was developed for the SAE 1020 steel with and without rocky bulkhead (Travertine). Also, the changes in the microstructure of adjacent regions of duplex steel in 2205 for different ranges of power density were assessed and finally it was evaluated the use of laser cutting of stainless steel submerged in water. It follows that there is a burr formation, which increases as the power density decreases. On the other hand, the higher the power density, the greater is the extent of change in the steel microstructure. Cutting steel with rocky bulkhead opens new perspectives for the tool development with high power laser for well completion in the oil industry tool.

[pt] Propriedades dinâmicas dos lasers semicondutores monomodo têm sido investigadas utilizando-se diferentes sistemas ópticos de medição. Sistemas ópticos integrados auto- homódino e heteródino foram montados para a medição da modulação em intensidade (IM) e freqüência (FM) e para a obtenção do fator de alargamento da largura de linha (alfa) de três lasers semicondutores de realimentação distribuída (DFB) de seção única. O sistema auto-homódino foi pela primeira vez empregado na obtenção do fator de alargamento da largura de linha. Este sistema mostrou-se mais estável, prático e as medidas apresentam melhor reprodutibilidade que no sistema heteródino, uma vez que é possível obter as características de IM, FM e o parâmetro alfa em uma única medida sem o uso de um outro laser semicondutor como oscilador local. O outro sistema utilizador foi o interferômetro de Mach- Zehnder com detenção balanceada montado com elementos discretos. É possível medir as características de modulação e ruídos dos dispositivos com este interferômetro empregado como discriminador de freqüência. Com este instrumento foi feita a caracterização dinâmica de lasers DFB de seção única, DBR de múltiplas seções e grating assisted codirectional coupler with rear sampled reflector (GCSR) lasers. Foi analisado e pela primeira vez quantificado o efeito de desintonização carrregada em lasers GCSR, pelas medidads de resposta da IM, ruído de freqüência e largura de linha. A realização da caracterização das propriedades dinâmicas de lasers GCSR de larga sintonia é de grande importância, uma vez que muito pouca informação está disponível sobre o assunto pois a estrutura do dispositivo foi desenvolvida recentemente. O lasers GCSR possui quatro seções, uma seção de ganho e três sintonia. Estes dispositivos possuem sintonia quase-contínua de 1520 a 1560nm. Características como ruído de intensidade relativo (RIN), ruído de freqüência, largura de linha, resposta a modulação de amplitude e de freqÜência foram investigadas sob diferentes condições de funcionamento. O comportamento da largura de linha, freeqüência de ressonância, largura de faixa de modulação e varredura em freqüência foi analisado em dez comprimentos de onda espaçados de 4nm dentro da faixa de sintonia. A resposta IM tem características quase constantes sobre a faixa de sintonia e a resposta FM é comparável ou melhor que em lasers com refletor de Bragg distribuído (DBR). O fator de alargamento da largura de linha (alfa) foi obtido de forma inédita pelo uso do interferômetro de Mach-Zehnder com detecção balanceada pela medida das respostas AM e FM, alfa tem seu valor máximo no lado dos comprimentos de onda mais longos e decresce na direção dos comprimentos de onda mais curtos. Foi observado uma melhora em algumas prorpiedades do laser como: redução do ruído de freqüência, largura de linha e aumento da largura de faixa de modulação com a sintonia da seção de fase. Isto é característico da ocorrência do efeito de desintonização carregada (detuned loading effect), o qual geralmente ocorre em lasers DBR. Este efito explica o comportamento observado da largura de linha, largura de faixa de modulação e parâmetro alfa na faixa de sintonia. / [en] Dynamic properties of single mode semiconductor lasers have been investigated using different optical set-ups. Intergrated optical self-homodyne and heterodyne systems were mounted to measure the intensity (IM) and frequency (FM) modulation responses and to obtain the linewidth enhancement factor (a) of three single-section distributed feedback lasers (DFB). The self-homodyne interferometric system was used for the first time to obtain the linewidth enhancement factor. This system is more stable, reproducible and practical than the heterodyne set-up, since it is possible to obtain IM, FM characteristics and a parameter in one measurement without using another semiconductor lase as a local oscillator. The other system used was the Mach-Zehnder interferometer with balanced detection mounted with discrete optical elements. This instrument works as a frequency discriminator, therefore, it is possible to anlyse the modulation and noise properties of semiconductor lasers with one or more sections. Single section DFB lasers, multi-section DBR and grating assisted condirectional coupler with rear sampled reflector (GCSR) lasers were characterised using the interferometer. Measuring the IM response, frequency noise and linewidth of GCSR lasers it was possible to study the detuned loading effect in these devices. This effects was quantified for the first time in this work. The dynamic characterisation of widely tunable GCSR lasers is really relevant, once very little information is available about these devices and their structure was developed recently. The GCSR laser has four sections, one gain section and three tuning sections. These devices have quasi-continous tuning range from 1520 to 1560 nm. The relative intensity noise (RIN), frequency noise and linewidth characteristics, amplitude modulation (AM) and FM responses were measured at ten different wavelength spaced by 4 nm on the tuning range. The AM response hag quasi-constant characteristics on the tuning range and the FM response is comparable or better than on ordinary distributed Bragg reflector lasers (DBR). A new technique for a parameter extraction was developed measuring AM and FM responses using a Mach-Zehnder interferometer with balanced detection. The calculated a aparameter has a maximum value in the long wavelength side and decreases in the direction of the short wavelength side. An improvement of some laser properties like frequency noise, linewidth and modulation bandwidth with the phase tuning was observed. These are characteristics of the detuned loading effect, which usually occurs in DBR lasers. This effect explains the linewidth, bandwidth and a parameter behaviour on the tuning range.

[pt] Para lançar equipamentos eletromédicos no mercado brasileiro, é necessária a obtenção de registro da Agência Nacional de Vigilância Sanitária, que tem por requisito a apresentação da certificação de conformidade. Na presente dissertação foram realizados estudos dos documentos normativos necessários para a avaliação da conformidade de equipamentos a laser e Luz Intensa Pulsada (IPL) para uso terapêutico, visando a análise da abrangência das normas para a garantia da confiabilidade metrológica de tais equipamentos biomédicos. Os equipamentos terapêuticos a laser precisam estar em conformidade com a Norma Geral NBR IEC 601-1, colaterais e com a Norma Particular NBR IEC 601- 2-22. O IPL, por sua vez, consiste em instrumentação óptica para uso terapêutico que não é referida na Norma Particular NBR IEC 601-2-22 e ainda não possui norma técnica específica. Verificou-se ao longo dos trabalhos para esta dissertação que, apesar da norma particular NBR IEC 601-2-22 prescrever a necessidade da medição de energia, no Brasil não existem padrões rastreáveis para calibração de medidor de energia laser. Também foi identificada a necessidade da inclusão na norma particular a avaliação das seguintes grandezas para os equipamentos a laser: divergência do feixe, duração do pulso, diâmetro do feixe de trabalho, taxa de repetição de pulso, e definição do limite máximo para o diâmetro do feixe de trabalho. Além disso, embora a norma particular não inclua os equipamentos IPL em seu escopo, esta poderia ser ampliada para adaptar-se também à avaliação deste equipamento. Para tanto, além das grandezas mencionadas acima, sugeridas para a avaliação dos equipamentos a laser, seria necessária também a avaliação de filtros que limitam os comprimentos de onda de emissão da radiação. Concluiuse também que, como a norma particular estudada recomenda o atendimento a várias cláusulas de norma não incorporada no Brasil pela ABNT - a IEC 60825-1 - cujo conteúdo é exigido para a avaliação da conformidade do equipamento, recomenda-se a complementação da norma nacional com a informação contida na IEC 60825-1. Além da inclusão de itens ao documento normativo, o presente trabalho recomenda a avaliação da incerteza da medição não somente para constar nos documentos acompanhantes, como também na avaliação de conformidade do produto. Também considerando a tolerância descrita na norma de 20% de erro da saída laser, e considerando desde já evidências apresentadas no trabalho indicando que é excessiva, recomendou-se um estudo detalhado objetivando, a partir da análise das diferentes aplicações biomédicas dos equipamentos, melhor definição de tal tolerância. Discute-se ainda sobre a importância da avaliação periódica durante o tempo de sua utilização clínica, para garantia da confiabilidade também ao longo da vida útil destes equipamentos. / [en] Manufacturers must present a Conformity Certificate and register electrical medical products with the National Health Vigilance Agency (ANVISA) before releasing them in the Brazilian market. For medical laser equipment, the mandatory standards are the general safety standard for medical electrical equipment (NBR IEC 601-1) and the particular safety standard for diagnostic and therapeutic laser equipment (NBR IEC 601-2-22). Despite not having a particular standard with safety requirements, medical IPL equipment used for therapeutic applications are also required by ANVISA to comply with NBR IEC 601-1 and NBR IEC 601-2-22. In this thesis, the standards used for the conformity evaluation of laser and intense pulsed light (IPL) electromedical equipment were examined with the purpose of assessing their effectiveness regarding metrological reliability. It was found that, despite the energy measurement requirements in the particular standard NBR IEC 601-2-22, there are no traceable standards for optical energy measurements in Brazil. It was also found that the measurement of other quantities (such as, beam divergence and diameter, pulse duration, pulse repetition rate, among others) should be included in the particular standard. Additionally, it was found that, in order to evaluate safety requirements for medical IPL equipment, the particular standard should include requirements concerning the filters that limit the bandwidth of the radiation. In addition to including the parameters mentioned above, this dissertation also recommends the inclusion of the uncertainty in measurement not only in accompanying documents, but also in the conformity evaluation of the product. Moreover, based on evidences, discussed in this thesis, that the current acceptable error of 20% for the laser power output is extremely high, an in-depth evaluation of the actual acceptable error is recommended. Furthermore, since the particular safety standard (NBR IEC 601-2-22) refers to several clauses in the IEC 60825-1 standard, which has not yet been adopted in Brazil, it is recommended that either the IEC 60825-1 standard be adopted in Brazil, or that the clauses mentioned in NBR IEC 601-2-22 be incorporated to it. Finally, the importance of periodic postsale verifications of electromedical equipment in order to ensure metrological reliability is also discussed.

[pt] Este trabalho apresenta alguns estudos experimentais sobre a geração de pulsos óticos curtos com lasers semicondutores e a deteção desses pulsos. Descreve-se inicialmente a geração de pulsos elétricos curtos com geradores a transistor avalanche e chaves fotocondutivas. Foi desenvolvido um modelo de circuito equivalente para lasers multi-modos, que permite simular com precisão a resposta ótica do dispositivo para diferentes condições de alimentação. Foram também desenvolvidos transformadores de impedância de larga banda passante. Linhas de transmissão de diversos tipos e substratos de diferentes constantes dielétricas foram empregados. Comprovou-se experimentalmente a melhoria da resposta ótica do laser a pulsos curtos de corrente com o uso desses transformadores, comparada com os arranjos convencionais. Mostrou-se também experimentalmente que os transformadores aqui desenvolvidos proporcionam um aumento significativo na largura de banda de sistemas de fotodetetores rápidos. São apresentados resultados experimentais de geração de pulsos óticos curtos com lasers semicondutores, usando-se as técnicas de mode-locking e chaveamento de ganho. Finalmente são sugeridas algumas técnicas alternativas para a medição indireta dos pulsos gerados pelo processo de mode-locking, e são mostrados alguns resultados preliminares. / [en] This work presents experimental studies on the generation of short duration optical pulses with semiconductor lasers and the detection of these pulses. The generation of high- speed electrical pulses with avalanche transistors and photoconductive switches is described. An equivalent circuit model for multimode lasers was developed, which permits simulating accurately the optical response of the devide under various bias conditions. Impedance transformers of large bandwidth were also developed. Transmission lines of several types and substrates with various dielectric constants were employed. A significant improvement of the optical response of the laser to short duration current pulses was experimentally observed with the use of the transformers, compared to conventional arrangements. It was also observed a significant increase in the bandwith of high- speed photodiode systems. Results are describe on the generation of short duration optical pulses with semiconductor lasers, using the techniques of mode-locking and gain switching. Finally, alternative high-speed techniques are suggested for the measurement of the pulses generated by mode-locking, and preliminary results are presented.

[pt] Neste trabalho, descreve-se a geração de pulsos ópticos curtos com diferentes taxas de repetição, para aplicações em sistemas de transmissão de sólitons. Para isto foi desenvolvido um laser a fibra em anel operando na terceira janela de comunicações ópticas (em 1.55 mm), capaz de gerar pulsos curtos, utilizando a técnica de mode-locking ativo. Na configuração empregada o modulador de Mach- Zehnder, normalmente usado, foi substituído por um laser DFB, funcionando como modulador de intensidade e, ao mesmo tempo, como filtro óptico sintonizável. O laser semicondutor tem seu ganho chaveado através de modulação direta, levando a cavidade e operar no regime de mode- locking harmônico. Uma sintonia contínua de comprimentos de onda pode ser obtida, simplesmente, variando-se a temperatura do diodo laser. Foram analisados aspectos como estabilidade, duração e pureza espectral dos pulsos ópticos emitidos por essa fonte, bem como sua faixa de sintonia de comprimentos de onda e possíveis taxas de repetição. Os pulsos ópticos gerados foram transmitidos através de enlaces ópticos com fibra óptica convencional, comprovando-se a propagação de sólitons. / [en] In this dissertation, it is depicted short optical pulses generation with different repetition rates, for soliton based transmission systems applications. In order to accomplish that, a fiber laser operating at the third window of the optical communication (1.55 um) was developed, capable of generate short pulses, through the active mode-locking technique. Within the current configuration, the Mach-Zehnder modulator, usually employed, was replaced by a DFB laser, running as both an intensity modulator and tunable optical filter. The semiconductor laser was gain switched through direct modulation, leading the cavity to operate on harmonic mode- locking scheme. A continuous wavelength tuning could be achieved by changing the temperature of the diode laser. Several aspects were analyzed, such as stability, duration and spectral purity of the optical pulses generated by this source. The wavelength tuning range and its possible repetition rates were also investigated. The optical pulses were transmitted through standard optical fiber links, demonstrating the propagation of solitons.

[pt] Neste trabalho descreve-se a geração de pulsos ópticos curtos estáveis, com durações na faixa de alguns psicossegundos, e diversas taxas de repetição. Para isto foi construído um laser a fibra dopada com érbio, na configuração em anel e operando nos regimes de mode- locking ativo harmônico e racional (MLEFL). As características temporal e espectral dos pulsos são estudadas. Os pulsos de saída apresentam potência de pico elevada e são limitados pela transformada, ou seja, na forma de sólitons. Esses pulsos são extremamente adequados para sistemas de comunicações solitônicos. Os lasers a fibra dopada com érbio operando no regime de mode-locking ativo (MLEFL), têm-se mostrado como um dos candidatos mais promissores para os sistemas solitônicos. Isto se deve ao fato desses dispositivos além de produzirem pulsos ultracurtos e com as características necessárias a esses sistemas, eles apresentam alta potência de saída e possibilitam a variação da taxa de repetição. Para a montagem desses lasers de forma razoavelmente compacta são utilizados componentes ópticos, tais como controladores de polarização, filtros e moduladores, em versões integradas (pigtailed) e já disponíveis comercialmente. / [en] This work describes a simple and stable harmonically mode- locked erbium-doped fiber ring laser, that produces high power, ~ 1 ps transform-limited sech optical pulses. Pulse trains with different high repetition rates were obtained using harmonic mode-locking and rational harmonic mode- locking techniques. The temporal and spectral characteristics of the pulses are studied. The pulses are extremely appropriate for soliton based systems communications. Actively mode-locked erbium doped fiber ring lasers (MLEFL), have attracted much attention and are one of most promising candidates for soliton systems. This is due to some characteristics which are very convenient for high capacity optical systems: they can produce very short transform limited optical pulses at gigahertz rates. Such lasers also present high output powers, long term stability and can be easily tuned to operate in a wide region of wavelengths.