Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo deste trabalho foi estabelecer um modelo empregando-se ferramentas de regressão multivariada para a previsão do teor em ésteres metílicos e, simultaneamente, de propriedades físico-químicas de misturas de óleo de soja e biodiesel de soja. O modelo foi proposto a partir da correlação das propriedades de interesse com os espectros de reflectância total atenuada no infravermelho médio das misturas. Para a determinação dos teores de ésteres metílicos foi utilizada a cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC), podendo esta ser uma técnica alternativa aos método de referência que utilizam a cromatografia em fase gasosa (EN 14103 e EN 14105). As propriedades físico-químicas selecionadas foram índice de refração, massa específica e viscosidade. Para o estudo, foram preparadas 11 misturas com diferentes proporções de biodiesel de soja e de óleo de soja (0-100 % em massa de biodiesel de soja), em quintuplicata, totalizando 55 amostras. A região do infravermelho estudada foi a faixa de 3801 a 650 cm-1. Os espectros foram submetidos aos pré-tratamentos de correção de sinal multiplicativo (MSC) e, em seguida, à centralização na média (MC). As propriedades de interesse foram submetidas ao autoescalamento. Em seguida foi aplicada análise de componentes principais (PCA) com a finalidade de reduzir a dimensionalidade dos dados e detectar a presença de valores anômalos. Quando estes foram detectados, a amostra era descartada. Os dados originais foram submetidos ao algoritmo de Kennard-Stone dividindo-os em um conjunto de calibração, para a construção do modelo, e um conjunto de validação, para verificar a sua confiabilidade. Os resultados mostraram que o modelo proposto por PLS2 (Mínimos Quadrados Parciais) foi capaz de se ajustar bem os dados de índice de refração e de massa específica, podendo ser observado um comportamento aleatório dos erros, indicando a presença de homocedasticidade nos valores residuais, em outras palavras, o modelo construído apresentou uma capacidade de previsão para as propriedades de massa específica e índice de refração com 95% de confiança. A exatidão do modelo foi também avaliada através da estimativa dos parâmetros de regressão que são a inclinação e o intercepto pela Região Conjunta da Elipse de Confiança (EJCR). Os resultados confirmaram que o modelo MIR-PLS desenvolvido foi capaz de prever, simultaneamente, as propriedades índice de refração e massa específica. Para os teores de éteres metílicos determinados por HPLC, foi também desenvolvido um modelo MIR-PLS para correlacionar estes valores com os espectros de MIR, porém a qualidade do ajuste não foi tão boa. Apesar disso, foi possível mostrar que os dados podem ser modelados e correlacionados com os espectros de infravermelho utilizando calibração multivariada / In the present work, a model that uses multivariate regression tools was proposed to predict both contents of methyl esters and physical-chemical properties of soybean oil -soybean biodiesel blends. The model was proposed from the correlation of the properties of interest with the attenuated total reflectance infrared spectra of the samples (ATR/MID-FTIR). The composition of the blends (methyl esters content) was determined by high performance liquid chromatography (HPLC), which can be seen as an alternative technique to the standard reference methods based on gas chromatography (EN 14103 and EN 14105). The selected physicochemical properties were refractive index, density, and viscosity. For the study, 11 mixtures were prepared with different proportions of soybean biodiesel and soybean oil (0-100 % wt of soybean biodiesel) in five replications totalizing 55 samples. The infrared spectra were acquired in the range 3801-650 cm-1. The spectra were submitted to the multiplicative signal correction (MSC) and then to mean centering (MC) preprocessing. The properties of interest were submitted to auto scale. It was then applied principal component analysis (PCA) for the purpose of reducing the dimensionality of the data, and detected the presence of outliers. When the outliers were detected, the samples were discarded. The original data were submitted to Kennard-Stone algorithm dividing them into a calibration set to build the model and the validation to verify its reliability. The results showed that the model proposed by PLS2 (Partial Least Squares) was able to adjust well to the refractive index data and density, can be observed a random behavior of errors, indicating the presence of homoscedasticity in residual values, in other words, the constructed model presented a forecast of capacity for specific mass properties and refractive index with 95% confidence. The accuracy of the model was evaluated by estimating the regression parameters which are the slope and the intercept by EJCR (Joint Region Confidence Ellipse). The results confirmed that MIR-developed PLS model was able to predict both the refractive index and specific gravity properties. For contents of methyl esters via liquid chromatography the model showed a lower adjustment of the data. Nevertheless, it was possible to demonstrate that the results obtained from methyl esters by HPLC analytical method can be modeled and correlate them with infrared spectra using multivariate calibration

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-07-23Bitstream added on 2014-06-13T19:32:46Z : No. of bitstreams: 1 silveira_jb_me_ilha.pdf: 1625672 bytes, checksum: 5fb649c1f1320fe8b2df5942ab03558b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O presente trabalho visou a produção e o estudo das propriedades físicas de amostras de resina epóxi transparente dopadas com diferentes concentrações de nanocristais de sulfeto de cádmio (CdS). As técnicas de difração de raios-X, espectroscopia no infravermelho, espectroscopia Raman e calorimetria diferencial de varredura (DSC) foram utilizadas para estudar as propriedades estruturais. Espectroscopias de refletância e de transmitância foram utilizadas para obter a dispersão do índice de refração e do coeficiente de extinção na região do UV-Vis para amostras dopadas com diferentes concentrações de CdS. A técnica do ângulo de Brewster foi também utilizada para determinar o índice de refração das diferentes amostras. Os valores dos índices de refração obtidos através das medidas de refletância e de transmitância na região do UV-Vis e da técnica do ângulo de Brewster foram comparados e os resultados mostraram que a técnica do ângulo de Brewster além de apresentar valores que conferem com a literatura apresentou valores com alta precisão. Foram realizadas medidas de birrefringência opticamente. Foram obtidos resultados da birrefringência fotoinduzida por um fóton para diferentes concentrações de CdS por amostra e para diferentes intensidades da luz de excitação. Os resultados foram quantificados utilizando alguns dos principais modelos teóricos, onde foi observado que a resina epóxi pura apresenta birrefringência fotoinduzida e a adição do CdS contribui para o aumento da birrefringência. / The present work sought production and study of the physical properties of samples of transparent epoxy resin doped with different concentrations of structures of cadmium sulfide (CdS) nanocrystals. X-ray diffraction, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy e differential scanning calorimetry techniques were used to study their structural properties. Reflectance and transmittance spectroscopy were used to obtain of the refraction index and of the extinction coefficients dispersion in the UVVis region for doped samples with different concentrations of CdS. The Brewster angle technique also was used to determine the refraction index of the different samples. The refraction index values obtained using the reflectance and transmittance measurement in the UV-Vis region and Brewster angle technique were compared and the results showed that the Brewster angle technique besides presents values that check with the literature, presented values with high precision. Measurements of optically induced birefringence were accomplished. Were obtained results of the photo induced birefringence by a photon for different concentrations of CdS for sample and for different intensities of the excitement light. The results were quantified using some of the principal theoretical models, where was observed that the pure epoxy resin presents photo induced birefringence and the addition of the CdS contributes to the increase of the birefringence.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-02-27Bitstream added on 2014-06-13T20:53:36Z : No. of bitstreams: 1 costajunior_pr_me_ilha.pdf: 1643476 bytes, checksum: 5cbf98fcf43ed53a45f50da455aef0c4 (MD5) / Estudamos o sistema 40P2O5 – 10B2O3 – (50-x)CaO – xTiO2, onde variou-se a composição do TiO2 e CaO, com x=25,20,15,10,05,03 mol%. Neste sistema temos dois formadores de vidros, o P2O5 que pode incorporar na sua rede grande quantidade de Titânio e o B2O3. Dois grupos de amostras foram estudados: um sem polarizar, e outro grupo submetido à polarização eletro térmica a 300oC aplicando 1,5KV e 2,5 KV durante 60 minutos. Foram realizadas medidas de Análise Térmica diferencial e se observa que estes vidros possui transição vítrea entorno de 600ºC, aumentando com maior quantidade de TiO2. A evidência da polarização eletro térmica se observa nos espectros de infravermelho e Uv-Vis, nestas, as bandas de absorção correspondentes sofreram ligeiras mudanças. Para estes vidros são importantes as bandas de absorção na região visível que se estende desde 400nm até 900nm devido à existência de íons Ti3+ e pares Ti3+-T 4+ em estruturas de coordenação tetraedral e octaedral. As medidas da dispersão dos índices de refração utilizando a técnica do ângulo de Brewster mostram variações conforme os comprimentos de onda. Foi avaliado o índice de refração complexo dos espectros de transmitância e refletância. A análise da parte real do índice de refração foi feita através do modelo de um único oscilador de Wemple-Didomenico que está relacionado com a dispersão normal dos vidros. Os parâmetros como energia média e energia de dispersão são baixos quando comparados com outro vidros com TiO2. Os dados da absorção na forma da função dielétrica complexa foram ajustados utilizando funções gaussianas. Os resultados indicam a formação de bandas de absorção de íons Ti3+ com estruturas possivelmente distorcidas e de coordenação tetraedral e octaedral. Temos ainda as bandas... / We studied the system 40 P2O5 – 10 B2O3 - ( 50 – x ) CaO – x TiO2, which has varied the composition of CaO and TiO2, with x = 25, 20, 15, 10, 05, 03 mol%. In this system we have two glass formers, the P2O5 that can incorporate in its network great amount of titanium B2O3. Two groups of samples were studied: one without polarize, and another group submitted to a thermal electric polarization by 300ºC applying 1.5 KV and 2.5 KV for 60 minutes. Measures were made of differential thermal analysis and observed that these glasses have glass transition around 600ºC, increasing with a great amount of TiO2. The evidence of thermal electric polarization is observed in the spectra of infrared and UV-Vis, in the corresponding absorption bands have slightly changes. For these glasses are important the absorption bands in the visible region that extends from 400nm to 900nm due to the existence of ion Ti3+ pairs and Ti3+ - T4+ in co-ordination structures tetraedral and octaedral. The measures of dispersion of the indices of refraction using the technique of Brewster angle showed variations according to wavelengths. We evaluated the complex refractive index of the spectra of transmittance and reflectance. The analysis of the real part of the index of refraction was done by a single oscillator model of Wemple-Didomenico related to the normal dispersion of glass. The parameters such as average energy and energy dispersion are low when compared with other glasses with TiO2. The data of absorption in the form of complex dielectric function were fitted using Gaussian functions. The results indicate the formation of absorption bands of ions Ti3+ with possibly distorted structures and coordination tetraedral and octaedral. We have the bands due to the existence of pairs of ions Ti3+ - Ti4+ and undergo changes as the samples polarized and not polarized.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo deste trabalho foi estabelecer um modelo empregando-se ferramentas de regressão multivariada para a previsão do teor em ésteres metílicos e, simultaneamente, de propriedades físico-químicas de misturas de óleo de soja e biodiesel de soja. O modelo foi proposto a partir da correlação das propriedades de interesse com os espectros de reflectância total atenuada no infravermelho médio das misturas. Para a determinação dos teores de ésteres metílicos foi utilizada a cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC), podendo esta ser uma técnica alternativa aos método de referência que utilizam a cromatografia em fase gasosa (EN 14103 e EN 14105). As propriedades físico-químicas selecionadas foram índice de refração, massa específica e viscosidade. Para o estudo, foram preparadas 11 misturas com diferentes proporções de biodiesel de soja e de óleo de soja (0-100 % em massa de biodiesel de soja), em quintuplicata, totalizando 55 amostras. A região do infravermelho estudada foi a faixa de 3801 a 650 cm-1. Os espectros foram submetidos aos pré-tratamentos de correção de sinal multiplicativo (MSC) e, em seguida, à centralização na média (MC). As propriedades de interesse foram submetidas ao autoescalamento. Em seguida foi aplicada análise de componentes principais (PCA) com a finalidade de reduzir a dimensionalidade dos dados e detectar a presença de valores anômalos. Quando estes foram detectados, a amostra era descartada. Os dados originais foram submetidos ao algoritmo de Kennard-Stone dividindo-os em um conjunto de calibração, para a construção do modelo, e um conjunto de validação, para verificar a sua confiabilidade. Os resultados mostraram que o modelo proposto por PLS2 (Mínimos Quadrados Parciais) foi capaz de se ajustar bem os dados de índice de refração e de massa específica, podendo ser observado um comportamento aleatório dos erros, indicando a presença de homocedasticidade nos valores residuais, em outras palavras, o modelo construído apresentou uma capacidade de previsão para as propriedades de massa específica e índice de refração com 95% de confiança. A exatidão do modelo foi também avaliada através da estimativa dos parâmetros de regressão que são a inclinação e o intercepto pela Região Conjunta da Elipse de Confiança (EJCR). Os resultados confirmaram que o modelo MIR-PLS desenvolvido foi capaz de prever, simultaneamente, as propriedades índice de refração e massa específica. Para os teores de éteres metílicos determinados por HPLC, foi também desenvolvido um modelo MIR-PLS para correlacionar estes valores com os espectros de MIR, porém a qualidade do ajuste não foi tão boa. Apesar disso, foi possível mostrar que os dados podem ser modelados e correlacionados com os espectros de infravermelho utilizando calibração multivariada / In the present work, a model that uses multivariate regression tools was proposed to predict both contents of methyl esters and physical-chemical properties of soybean oil -soybean biodiesel blends. The model was proposed from the correlation of the properties of interest with the attenuated total reflectance infrared spectra of the samples (ATR/MID-FTIR). The composition of the blends (methyl esters content) was determined by high performance liquid chromatography (HPLC), which can be seen as an alternative technique to the standard reference methods based on gas chromatography (EN 14103 and EN 14105). The selected physicochemical properties were refractive index, density, and viscosity. For the study, 11 mixtures were prepared with different proportions of soybean biodiesel and soybean oil (0-100 % wt of soybean biodiesel) in five replications totalizing 55 samples. The infrared spectra were acquired in the range 3801-650 cm-1. The spectra were submitted to the multiplicative signal correction (MSC) and then to mean centering (MC) preprocessing. The properties of interest were submitted to auto scale. It was then applied principal component analysis (PCA) for the purpose of reducing the dimensionality of the data, and detected the presence of outliers. When the outliers were detected, the samples were discarded. The original data were submitted to Kennard-Stone algorithm dividing them into a calibration set to build the model and the validation to verify its reliability. The results showed that the model proposed by PLS2 (Partial Least Squares) was able to adjust well to the refractive index data and density, can be observed a random behavior of errors, indicating the presence of homoscedasticity in residual values, in other words, the constructed model presented a forecast of capacity for specific mass properties and refractive index with 95% confidence. The accuracy of the model was evaluated by estimating the regression parameters which are the slope and the intercept by EJCR (Joint Region Confidence Ellipse). The results confirmed that MIR-developed PLS model was able to predict both the refractive index and specific gravity properties. For contents of methyl esters via liquid chromatography the model showed a lower adjustment of the data. Nevertheless, it was possible to demonstrate that the results obtained from methyl esters by HPLC analytical method can be modeled and correlate them with infrared spectra using multivariate calibration

Neste trabalho, foi desenvolvido um laser pulsado utilizando um chaveador-Q passivo em uma cavidade com a tecnologia de controle de modo por duplo-passo. Utilizando um cristal de Nd:LiYF4 com 0,8 mol% de dopagem, foi possível gerar um pulso com duração de 5,5 ns (FWHM), com 1,2 mJ de energia e potência pico de 220 kW para utilização na técnica Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS). A técnica (CRDS), que pode ser traduzida por espectroscopia de cavidade ressonante, é utilizada para medida de espectros de absorção de gases, líquidos e sólidos. Com a técnica CRDS é possível medir perdas com altíssimo grau de precisão, ressaltando sua sensibilidade que é confirmada pela utilização de espelhos com alta refletividade. Foram avaliadas, com essa técnica, as perdas por reflexão e espalhamento de materiais transparentes. Após a calibração da cavidade ressonante, foi possível medir as perdas nas amostras com resolução de até 0,045%, sendo o valor máximo alcançado de 1,73%. Essa calibração foi possível, pois obteve se um tempo de decaimento de aproximadamente 20 μs com a cavidade desobstruída. Também foi conseguido um método de determinação do índice de refração dos materiais transparentes com precisão de cinco casas decimais. / In this work, a pulsed and Q-switched laser resonator was developed using the double-beam mode-controlling technique. A Nd:LiYF4 crystal with 0,8mol% of doping concentration was used to generate a giant pulse with duration of 5,5 ns (FWHM), 1,2 mJ of energy and 220 kW peak power for the Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) technique. The CRDS technique is used to measure absorption spectra for gases, liquids and solids. With the CRDS technique it is possible to measure losses with high degree of accuracy, underscoring the sensitivity that is confirmed by the use of mirrors with high reflectivity. With this technique, the losses by reflection and scattering of transparent materials were evaluated. By calibrating the resonant cavity, it was possible to measure the losses in the samples with resolution of 0,045%, the maximum being reached by 1,73%. The calibration was possible because there was obtained to measure a decay time of approximately 20 μs with the empty cavity. Besides was obtained a method for determining the refractive index of transparent materials with accuracy of five decimals.

O índice de refração não-linear n2 é o parâmetro chave da não-linearidade de terceira ordem em materiais ópticos. Um método simples, direto e sensível para medição do índice de refração não-linear (n2) é a técnica Z-scan proposta Sheik-Bahae et al 1. Nesse trabalho, um estudo sistemático quanto a esta técnica foi realizado. Utilizando a integral de difração de Fresnel-Kirchhoff, foi possível analisar a técnica investigando a influência do raio de abertura da íris. Foram obtidas expressões analíticas inéditas quando consideramos baixas não-linearidades induzidas por amostras finas. Esses resultados mostraram que o valor de n2 obtido é aproximadamente 36% maior do que n2 obtido por Sheik-Bahae para abertura linear de S=0,5, por exemplo.Extensões da técnica foram feitas, onde simulações para testar a viabilidade de medidas Z-scan no campo próximo e com dois feixes foram realizadas, de onde também foi possível encontrar resultados analíticos inéditos. Esses resultados teóricos foram testados tanto para feixe único quanto duplo em alguns experimentos, sendo obtido um bom acordo. Por fim, um novo método para medição do índice de refração não-linear não-degenerado foi proposto, em que é possível obter n2 no comprimento de onda do feixe de prova, num experimento com dois feixes. Esse resultado é importante uma vez que, em muitos casos, não é possível a realização de uma medida Z-scan convencional, devido ao fato da amostra não absorver o comprimento de onda do feixe de prova. Um resultado de n2 para rubi em 633nm foi obtido em bom acordo com resultados prévios da literatura, em que foram utilizadas técnicas de maior complexidade experimental. / The nonlinear refractive index n2 is the key parameter of the third order nonlinearity of optical materials. A simple, direct and sensitive measurement of nonlinear refractive index n2 is so-called Z-scan technique proposed by Sheik Bahae et al 1. In this work, a systematic study on this technique was performed. Based on Fresnel-Kirchhoff diffraction integral formula, it was possible to analyze the technique in order to investigate the influence of the apertures radius. We obtained unpublished analytical expressions when we consider small nonlinearities induced by thin samples. These results showed that the value of n2 obtained is about 36% larger than n2 obtained by Sheik-Bahae when the linear opening is 50%, for example.Extensions about the technique were made. Simulations were performed in order to test the feasibility of near-field Z-scan and two-color Z-scan measurements. Again it was also possible to find unpublished analytical results. The theoretical results were tested in some experiments and good agreement was found. Finally, a new method for measuring the nondegenerate refractive index was proposed. So, there is the possibility to obtain n2 at the wavelength of the probe beam in a two-color Z-scan experiment. This result is important since in many cases is impossible to perform a conventional z-scan measurement, due to the fact that the sample does not absorb the wavelength of the probe beam. A result of n2 for ruby at 633nm was obtained in good agreement with previous studies.

Estudamos o efeito de Conjugação de Fase por Mistura Degenenerada de Quatro Ondas em Al2O3:Cr+3 (Rubi) e GdAlO3:Cr+3 com um laser de Ar (λ=5145 Å). Obtivemos eficiência aproximadamente quatro vezes maior no GdAlO3:Cr+3 (onde este trabalho é original) que no Rubi o que nos motivou a investigar as propriedades físicas que são relevantes para o fenômeno nestes sistemas (isto não foi bem compreendido no trabalho anterior em Rubi). Desenvolvemos um método interferométrico muito sensível para medida dos coeficientes não lineares do índice de refração n2 destes materiais (que não eram conhecidos) Com estes valores de n2 calculamos a eficiência de Conjugação de Fase em bom acordo com experiência. / We have studied the effect of Phase Conjugation by Degenerate Four Wave Mixing in Al2O3:Cr+3 (Rubi) and GdAlO3:Cr+3 with an Ar (λ=5145 Å). We obtained efficiency ?approximately? 4 times greater in GdAlO3:Cr+3 (where this work is original) than in Rubi and this have motivated us to investigate the physical properties that are important to explain this phenomenon in these materials (what wasn\'t well understood in the previous paper on Rubi(10)). We developed an interferometric method very sensitive to measure the nonlinear coeficient of refractive index n2 of these materials (what wasn\'t known). With these values of n2 we calculated the efficiency of the Phase Conjugation in good agreement with the experience.

Femtosecond laser has been an essential tool for nonlinear optics and materials processing at micrometer scale, in which chalcogenide and heavy metal oxide glasses have received special attention not only for their high third-order optical nonlinearities but also due to their transparency up to the infrared regions. Although metallic nanoparticles are expected to improve the optical properties of glasses, there are no enough experimental researches about their influence on the nonlinear refractive index (n2) and nonlinear absorption coefficient (&#946), moreover at femtosecond regime. Based on the scientific and technological interests on highly nonlinear glasses, the goal of this thesis was to apply femtosecond laser pulses in two main domains: (i) at the basis of fundamental science, to study the effect of metallic nanoparticles in the third-order nonlinear optical properties of glasses; and (ii) at the field of applied science, aiming the development of photonic devices, performed by the fabrication of 3D optical waveguides containing metallic nanoparticles. This aim was achieved through the techniques of z-scan and femtosecond laser micromachining, which provided the nonlinear optical characterization and waveguides development, respectively. First, we analyzed the third-order nonlinear optical properties of the GeO2-Bi2O3 glass containing gold nanoparticles, which promoted saturation of the absorption in the region of the surface plasmon resonance band. On the other hand, these gold nanoparticles did not affect the n2 that kept constant in the wavelength range of 480 - 1500 nm. The same features were investigated for a Pb2P2O7-WO3 matrix doped with copper nanoparticles. In contrast to the gold doped ones, these samples showed a slight enhancement of the nonlinear refractive index when the energy of the excitation approaches the surface plasmon band. We also found out that the Pb2P2O7-WO3 matrix is a good host to grow silver nanoparticles by fs-laser micromachining. Similarly, copper nanoparticles were produced in a borosilicate glass using single-step laser processing. The explanation for metallic nanoparticle formation is addressed in this thesis, as well as, its application in waveguides. Thus, we demonstrated the functionality of optical waveguides containing Cu0 or Ag0 nanoparticles. Still based on the technological interests on glasses doped with nanoparticles, we showed a single-step synthesis of silver sulfide nanoparticles in chalcogenide glass, which was carried in partnership with researches at Princeton University. The materials investigated in this PhD work are of great importance for photonics, in which the synthesis of nanoparticles, fabrication of waveguides and nonlinear optical characterization have been performed. / O laser de femtossegundos tem sido uma ferramenta essencial tanto para a óptica não-linear quanto para o processamento de materiais na escala micrométrica, na qual os vidros calcogenetos e óxidos de metais pesados têm recebido atenção especial, não apenas pelas suas elevadas não-linearidades ópticas de terceira ordem, mas também devido à sua transparência até o infravermelho. Embora seja esperado que nanopartículas metálicas melhorem as propriedades ópticas dos vidros, não existe investigações experimentais suficientes sobre a sua influência no índice de refração não linear (n2) e no coeficiente de absorção linear (&#946), sobretudo no regime de femtossegundos. Com base nos interesses científicos e tecnológicos de vidros altamente não-lineares, o objetivo deste trabalho foi aplicar pulsos laser de femtossegundos em dois domínios principais: (i) na campo da ciência fundamental, para estudar o efeito de nanopartículas metálicas nas propriedades ópticas não lineares de terceira ordem destes materiais; e (ii) no domínio da ciência aplicada, visando o desenvolvimento de dispositivos fotônicos, realizado pelo fabricação de guias de onda tridimensionais contendo nanopartículas metálicas. Este objetivo foi alcançado através das técnicas de varredura-z e microfabricação com laser de femtossegundos, que proporcionaram a caracterização óptica não-linear e o desenvolvimento de guias de onda, respectivamente. Primeiramente, foram investigadas as propriedades ópticas não-lineares de terceira ordem do vidro GeO2-Bi2O3 contendo nanopartículas de ouro, as quais promoveram saturação da absorção na região da banda de ressonância de plásmon. Por outro lado, essas nanopartículas não afetaram o n2, que se manteve constante no intervalo de comprimento de onda 480 - 1500 nm. As mesmas características foram investigadas para uma matriz Pb2P2O7-WO3 dopada com nanopartículas de cobre. Em contraste com os vidros dopados com ouro, estas amostras apresentaram um ligeiro aumento do índice de refração não linear quando a energia de excitação está próxima da banda de ressonância de plásmon. Observou-se ainda que a matriz Pb2P2O7-WO3 é ideal para a obtenção de nanopartículas de prata através da microfabricação com laser de femtossegundos. Similarmente, nanopartículas de cobre foram produzidas em vidro de borosilicato usando somente uma varredura a laser. A explicação para a formação de nanopartículas metálicas é abordada nesta tese, bem como sua aplicação em guias de onda. Deste modo, demonstrou-se a funcionalidade de guias de onda ópticos compostos por nanopartículas de Cu0 e Ag0. Ainda com base nos interesses tecnológicos em vidros dopados com nanopartículas, demonstrou-se uma síntese de nanopartículas de sulfeto de prata em vidro calcogeneto usando o processamento de única etapa, realizada em parceria com pesquisadores da Universidade de Princeton. Os materiais investigados neste trabalho de doutorado são de grande importância para aplicações em fotônica, em que a síntese de nanopartículas, a fabricação de guias de onda e a caracterização óptica não-linear foram realizadas.

Neste trabalho estudamos uma nova classe de materiais ópticos não-lineares, os cristais orgânicos, que possuem potencial para muitas aplicação em dispositivos. Determinamos diferentes propriedades ópticas lineares e não-lineares de três cristais orgânicos: a l-alanina, a l-treonina e a l-lisina. Esses cristais de aminoácido foram escolhidos por apresentarem propriedades de geração de segundo harmônico (GSH) e por serem materiais nunca estudados sob o ponto de vista da óptica não-linear. Estudamos algumas das propriedades ópticas lineares fundamentais desses cristais biaxiais transparentes, pois deles dependem os fenômenos não-lineares sobre os quais são feitas intensas pesquisas. Determinamos as propriedades lineares como os espectros de absorção, os índices de refração, os eixo ópticos, velocidade de propagação da luz num meio anisotrópico e os limiares de dano por radiação. Posteriormente, determinamos as condições de casamento de fase, a eficiência de GSH, e a auto-modulação de fase. A GSH e a auto-modulação de fase pertencem, respectivamente, a processos não-lineares de segunda e de terceira-ordem. Para o estudo de muitas dessas propriedades foram desenvolvidas novas técnicas experimentais. Uma dessas novas técnicas, a varredura-Z oscilante, teve sensibilidade para determinar, pela primeira vez, o índice de refração não oscilante, vez, o índice de refração não linear desses cristais orgânicos. Além disso, como a todos os processos de caracterização envolveram a preparação de amostras, tivemos a oportunidade de criar procedimentos padrões para manipulação e utilização desses novos materiais. / In this work we studied a new class of nonlinear organic crystals that are potential candidates for devices application. We determined several linear and nonlinear optical properties of three organic crystals: l-alanine, l-threonine and l-lysine. These aminoacid. These aminoacid because their nonlinearities were never studied before. We characterized some of the fundamental linear optical properties of these biaxial transparent crystals, because they have influence on nonlinear phenomena that attracted a lot of research. We determined linear properties like absorption spectra, indices of refraction, optical axes, the light speed propagation in anisotropy media and the optical damage threshold. Subsequently, we determined the phase-matching condition for SHG, efficiency of the SHG and self-phase modulation. The SHG and self-phase modulation belongs, respectively, to the second-order and third-order nonlinear processes. To study several of these properties we had to develop some new experimental techniques. One of them, the oscillatory Z-scan, allows enough sensibility to determine, for the first time, the nonlinear refraction index of these organic crystals. Besides, as all these optical characterization involve the preparation of the samples, we had the opportunity to establishing standard procedures for manipulation of these new materials.

In recent years a new class of materials, the metamaterials, has emerged in the scientific community. The use of these materials makes possible to achieve unique electromagnetic properties, such as the negative refractive index. Today there exist several applications that take advantage of these special properties, such as sensors, antennas and invisibility cloaks, aiming at improving their intrinsic characteristics. Based on these considerations, this project aims at developing metamaterials structures to control the radiation properties of antennas in the microwave range, such as gain and directivity. More specifically, it was also chosen chiral metamaterials, mainly due to the phenomenon of electromagnetic field rotation which opens the possibility to control efficiently the radiation properties of antennas. In addition, chiral metamaterials, which have proved to be a more attractive alternative to obtain negative or zero refractive index, enable a greater degree of freedom in the design of different structures. This work encompasses all different phases of the structure design, namely: project, computational modeling, fabrication, and characterization of the proposed structures. We show improvements for the gain that in some cases reaches more than the double of the conventional monopole antenna gain and for the return loss parameter, which reaches minimum values. We also could maintain good efficiency and improve the input impedance matching. Finally, it is worth mentioning that this new technology also has the great potential to be applied in the telecommunication devices, particularly to improve communications based on antennas. / Nos últimos anos uma nova classe de materiais, os metamateriais, emergiu na comunidade científica. O uso desses materiais torna possível alcançar propriedades eletromagnéticas singulares, como o índice de refração negativo. Hoje existem vastas aplicações que usufruem destas propriedades especiais, como os sensores, mantas de invisibilidade e antenas, onde se procura o aperfeiçoamento de suas características intrínsecas. Com base nestas considerações, este projeto buscou desenvolver estruturas metamateriais para controle das propriedades de radiação de antenas na faixa de micro-ondas, tais como diretividade e ganho. Mais especificamente, foram utilizados os metamateriais quirais, principalmente devido ao fenômeno de rotação do campo eletromagnético que abre a possibilidade de controle mais eficiente das propriedades de radiação de antenas. Além disso, os metamateriais quirais, por se mostrarem uma alternativa mais atraente para se obter meios com índice de refração zero ou negativo, possibilitam um maior grau de liberdade no projeto de diferentes estruturas. Este trabalho contempla, ainda, todas as etapas de projeto de tais estruturas, quais sejam: projeto, modelagem computacional, fabricação, e caracterização das estruturas. Mostramos melhorias para o ganho que, em alguns casos, chega a mais do que o dobro do ganho da antena monopolo convencional e para o parâmetro de perda de retorno, que atinge valores mínimos. Nós também mantivemos uma boa eficiência e melhoramos o casamento de impedância de entrada. Finalmente, vale salientar que essa nova tecnologia também apresenta grande potencial de ser aplicada em dispositivos de telecomunicações, com o intuito de aprimorar a comunicação baseada em antenas.