Disordered media with refractive index variations can be found in the atmosphere, the ocean, and in many materials or biological tissues. Several technologies that make use of such random media, as image formation, satellite communication, astronomy or microscopy, must deal with an unavoidable light scattering or diffusion. This is why for many years light propagation through random media has been a subject of intensive study. Interesting phenomena such as speckle, coherent backscattering or random lasing have been discovered and studied. More recently, researchers are beginning to investigate mechanisms to control light propagation through such media to enhance light transmission and sharpen the focus. On the other hand, it has been known for several years that nonlinear random structures are able to generate light in an ultra-broad frequency range, without the need of angle or temperature tuning. Particularly interesting is the nonlinear light diffusion observed from materials with no change in the refractive index and which appear to be fully diffusion less to linear light propagation. However, a comprehensive understanding of the scattering when a nonlinear interaction takes place has not yet been given. The core of the thesis focuses on the study of the nonlinear light generation and propagation from crystalline structures with disordered nonlinear domains but with a homogenous refractive index. A random distribution of non-linear domains is found naturally in the Strontium Barium Niobate (SBN) ferroelectric crystal. As opposed to other mono-domain nonlinear optical crystals commonly used for frequency up-conversion, such as Potassium Titanyl Phosphate (KTP) or Lithium Niobate (LiNbO3), in SBN the nonlinear domain size is, typically, on the order of the coherence length or many times smaller than the size of the whole crystal. Such domains are usually several times longer in the c-axis direction relative to the plane perpendicular to that axis. Adjacent domains exhibit antiparallel polarization along such crystalline axis, with no change in refractive index. In Chapter 1 we give a brief introduction to light generation and propagation in random media, describing the speckle, light manipulation and second harmonic generation (SHG). In chapter 2, we study the nonlinear light generation and manipulation from a transparent SBN crystal. In its theoretical description we use a two-dimensional random structure consisting of a homogeneous background polarized in one direction with uniform rectangular boundaries, and a group of square reverse polarization domains with random sizes and located in random positions. The SHG from each domain is obtained using the Green's function formalism. In the experiments, we alter the ferroelectric domain structure of the SBN crystal by electric field poling or thermal treatments at different temperatures. The SBN crystal structures after such different treatments are shown to be characterized by their SHG patterns. In chapter 3, by measuring the spatial distribution of the second harmonic light in the c-plane, we demonstrate that the randomness in the nonlinear susceptibility results in a speckle pattern. We explain the observations as a result of the linear interference among the second harmonic waves generated in all directions by each of the nonlinear domains. In chapter 4, we report on our experimental implementation of the wave-front phase modulation method to control and focus the SHG speckle from the random SBN crystal. This research creates a bridge between light phase modulation and nonlinear optics. Finally we perform a theoretical analysis to demonstrate enhanced efficiencies for nonlinear light focusing by the wave-front phase modulation method in different directions. Various types of nonlinear structures are considered, including the homogeneous rectangular crystal, the group of random domains, and the combination of both.

Optical quantum memories are important devices in quantum information science. In particular, they are building blocks of quantum repeater architectures that have been proposed to increase the range of quantum communication beyond the limits set by losses in optical fibers. In this thesis, we report experiments with a quantum memory based on cold atoms. We focus on two important aspects relevant for using the memories as quantum repeater nodes: the connectivity to the optical fiber network, and the ability to operate in a time-multiplexed fashion. The core of the work presented in this thesis was the implementation of a quantum memory based on spontaneous Raman scattering, following the protocol of Duan, Lukin, Cirac and Zoller (DLCZ). The memory is implemented with a cold ensemble of 87Rb atoms loaded in a magneto optical trap. Single collective atomic spin excitations (spin-waves) are created in a heralded manner, before being retrieved by conversion into strongly non-classically correlated single photons. Our system showed measured second-order cross-correlation function values up to 200, an inferred intrinsic retrieval efficiency inside the science chamber up to 44%, and a memory lifetime up to 55 µs. Current realizations of DLCZ quantum memories present several limitations, reducing the maximum practical distance achievable for quantum repeaters based on these systems. We partially addressed two of them. The first one originates from high absorption in optical fibers at the operating wavelength of 780 nm. The second one is that current demonstrations only allow the creation of spin-waves in single temporal modes, limiting the entanglement generation rates in quantum repeaters protocols. A good solution to alleviate the first limitation is to translate the wavelength of the single photons to the telecom C-band, where absorption is minimal, while preserving their quantum characteristics. For this, we demonstrated an ultra-low-noise solid state photonic quantum interface based on an integrated-waveguide in a non-linear PPLN crystal. We converted heralded single photons emitted by the DLCZ quantum memory at 780 nm to the telecommunication wavelength of 1552 nm. We achieved a maximum signal-to-noise ratio of 80 for a mean input photon number of 1, allowing us to show significant non-classical correlations between the heralding and converted photons via the violation of the Cauchy-Schwarz inequality. To address the second limitation, we demonstrated the first experimental steps towards the realization of a temporally multiplexed DLCZ-type quantum repeater node. We showed active control of the spin-waves created in our quantum memory by means of an external magnetic field gradient inducing an inhomogeneous broadening of the atomic hyperfine levels. Acting on this gradient allows active dephasing and rephasing of individual spin-waves, enabling spin-wave creation in multiple temporal modes and read out a specific time-bin only. We showed that the active rephasing technique preserves the non-classical statistics of the heralded photons via the observation of anti-bunching. We then created spin-waves in two temporal modes and demonstrated selective read-out of only one of them with a selectivity up to 92%. All these results pave the way towards the realization of future temporally multiplexed quantum repeater nodes based on the DLCZ protocol. / Les memòries quàntiques òptiques son dispositius importants en el camp científic de la informació quàntica. En particular, són peces fonamentals de les estructures de repetidors quàntics, les quals han estat proposades per tal d’incrementar la distància en la comunicació quàntica més enllà dels límits imposats per les pèrdues en fibres òptiques. En aquesta tesi mostrem experiments duts a terme amb una memòria quàntica basada en àtoms freds. Ens hem centrat en dos aspectes importants que són rellevants a l’hora d’usar les memòries com a nodes de repetidors quàntics: la connectivitat cap a la xarxa de fibres òptiques i l’habilitat d’operar amb multiplexació temporal. La part central del treball presentat en aquesta tesi és la implementació d’una memòria quàntica basada en la dispersió Raman espontània, seguint el protocol de Duan, Lukin, Cirac i Zoller (DLCZ). La memòria és implementada en un conjunt d’àtoms de 87Rb en una trampa òptico-magnètica. Excitacions individuals col·lectives d’espins atòmics (ones d’espín) són creades de manera anunciada, abans de ser recuperades en una conversió cap a fotons individuals amb fortes correlacions no-clàssiques. En el nostre sistema vam mostrar mesures de la funció de correlació creuada de segon ordre amb valors de fins a 200, una eficiència de recuperació intrínseca dins la cambra experimental de fins a un 44% i un temps de vida de la memòria de 55 µs. Les realitzacions actuals de memòries quàntiques DLCZ presenten varies limitacions, les quals redueixen la distància màxima que els repetidors quàntics basats en aquests sistemes poden assolir. Nosaltres n’hem adreçat parcialment dues d’elles. La primera és originada per l’alta absorció en fibres òptiques de la longitud d’ona de 780 nm. La segona té a veure amb el fet que altres experiments actuals només permeten la creació d’ones d’espín en un únic mode temporal, limitant el ritme de la generació d’entrellaçament en protocols de repetidors quàntics. Una bona solució per mitigar la primera limitació és traslladar la longitud d’ona dels fotons individuals, cap a la banda C de telecomunicacions en la que l’absorció és mínima, preservant les seves característiques quàntiques. Per això, vam demostrar l’operació d’una interfície fotònica quàntica d’estat sòlid amb un soroll ultra-baix basada en una guia d’ones integrada en un cristall PPLN. Vam convertir fotons individuals anunciats emesos per la memòria quàntica DLCZ a 780 nm cap a la longitud d¿ona de telecomunicacions de 1552 nm. Vam aconseguir una relació senyal-soroll màxima de 80 per a un nombre mitjà incident de fotons de 1, permetent-nos mostrar correlacions no-clàssiques significatives entre el fotó anunciat i el convertit, mitjançant la violació de la desigualtat de Cauchy-Schwarz. Per tal d’adreçar la segona limitació, vam demostrar els primers passos experimentals cap a la realització d’un node de repetidor quàntic de tipus DLCZ amb multiplexació temporal. Vam mostrar el control actiu d’ones d’espín creades a la nostra memòria quàntica, utilitzant un gradient de camp magnètic extern que indueix un eixamplament inhomogeni dels nivells atòmics hiperfins. Actuar en aquest gradient permet el desfasament i refasament actiu d’ones d’espín individuals, permetent crear ones d’espín en múltiples modes temporals i llegir només un mode temporal específic. Vam mostrar que la tècnica de refasament actiu preserva les estadístiques no-clàssiques dels fotons anunciats a través de l’observació d’anti-agrupament. Seguidament vam crear ones d'espín en dos modes temporals i vam demostrar la lectura selectiva de només un mode amb una selectivitat de fins a un 92%. Tots aquest resultats obren la porta a la realització de futurs nodes de repetidors quàntics amb multiplexació temporal basats en el protocol DLCZ.

Devising new tools that expand our capabilities to sense and manipulate the world enables much of the scientific and technological progress around us. For example, light is increasingly more important as a tool for humanity. Not all light is equal, however - the light that we normally interact on a daily basis (e.g. the sun), despite its serene and directional appearance, exists in a state of ever changing disorder. What one would perceive as a smooth beam of white light is actually an ever changing pattern of colours. However, As the scale over which the colour changes is spatially too small and temporarily too rapid to be resolved by the human eye we perceive it as a smooth white beam. This lack of a clear spatio-temporal structure in naturally occurring light - coherence - limits what can be done with it. If one were to overlap all the frequencies in a temporally coherent beam of light, one could generate an extremely short and powerful pulse. For example, by compressing in time all the colours in sunlight one would generate a light pulse with just a few femtoseconds duration. If such pulse would have a very modest energy (e.g., a Joule), it would have a peak power approaching the PetaWatt - several orders of magnitude more than the total energy production on earth at a given time. When focused on a minuscule spot, the electric field oscillations of this wave would have amplitudes greatly surpassing the electric fields that bind electrons to atoms, or even atoms together in molecules. This implies that by focusing these pulses into matter one can destroy chemical bonds, free the electrons from the influence of the atom's nucleus and even further accelerate these particles away from the interaction region. It follows that with the correct electric field shape, one could control and manipulate matter in new and interesting ways.In this thesis we have dedicated ourselves to the creation and characterisation of intense, few-cycle pulsed sources of light, using several different approaches. In this thesis a light source with more than 3 octaves (450-4500 nm) has been developed through filamentation of intense mid-IR pulses in solids. This source has high repetition rate (100 kHz), high spectral density and absolute carrier-envelope phase stability. Additionally, numerical simulations suggest that the nonlinear propagation dynamics induce self-compression, possibly leading to single-cycle pulses. The scaling of strong field processes such as electron acceleration highly depends on the period or wavelength of the driving electrical field. This has implications for High harmonic generation (HHG) - the longer the wavelength of this field, the higher the energy of the generated photons. In this thesis we have built a high energy pulsed parametric light source at 2100 nm, a wavelength that enables one to generate soft-x-ray photons with energies exceeding 300 eV through phase-matched HHG ¿ and further demonstrated HHG cutoff extension up to 190 eV in Argon, when compared to HHG from 800 nm pulses.When doing HHG, in order to restrict the soft-X-ray emission to a single isolated attosecond pulse one needs to employ a gating technique. In this thesis we have extended the attosecond lighthouse technique up to the Water window (284-543 eV) which is of fundamental interest to study biological processes with unprecendent spatio-temporal resolution and elemental specificity. The routine generation and characterisation of pulses in the single-cycle regime has historically been a challenge. As such sources invariably require extreme nonlinear spectral broadening, the optimisation of the output pulse has always been a limitation. In this thesis we extend the dispersion-scan technique to the single-cycle regime and demonstrate its use as a straightforward way to compress, characterise and phase-stabilise 3.2 fs pulses with >50 GW peak power. We illustrate the steps done to optimise this source to reach the single-cycle regime. / Concebir nuevas herramientas que expandan nuestras capacidades para medir y manipular el mundo habilita gran parte del progreso cientifico y tecnologico que nos rodea. Por ejemplo, la luz es cada vez más importante como herramienta para la humanidad. Sin embargo, no toda la luz es igual - la luz con la cual normalmente interactuamos a diario (por ejemplo, la luz del sol), a pesar de su aspecto sereno y direccional, existe en un estado de constante cambio y disorden. Lo que se podria percibir como un rayo homogeneo de luz blanca es en realidad un patron en constante cambio de color e forma. Sin embargo, como la escala de los cambios de color es espacialmente demasiado pequeña y temporalmente demasiado rapida para ser resuelta por el ojo humano lo percibimos como un rayo blanco homogeneo. Esta falta de una estructura espacio-temporal en la luz natural - coherencia - limita lo que se puede hacer con ella. Si uno superpone todas las frecuencias en un rayo temporalmente coherente de luz, uno genera un pulso de luz extremadamente corto y potente. Por ejemplo, mediante la superposicio¿n en el tiempo de todos los colores en la luz del sol se generaria un pulso de luz con una duracion de pocos femtosegundos. Si tal pulso tiene una energia muy modesta (por ejemplo, un Julio), tendria una potencia de pico alrededor del Petawatt - ordenes de magnitud mas grande que la produccio¿n de energia en la Tierra en un determinado momento. Cuando enfocadas en un punto minusculo, las oscilaciones del campo electrico de esta onda tendran amplitudes superando los campos electricos que unen los electrones a los atomos, o incluso los atomos unos a los otros en moleculas. Esto implica que enfocando estos pulsos en la materia uno puede destruir enlaces quimicos, liberar los electrones de la influencia del nucleo del atomo y acelerar estas particulas. En consecuencia, con la forma de campo electrico correcta, se podria controlar y manipular la materia en formas nuevas e interesantes. En esta tesis nos hemos dedicado a la creacion y caracterizacion de fuentes de pulsos de luz intensos de pocos ciclos, utilizando diversas tecnicas. En esta tesis una fuente de luz con mas de 3 octavas (450-4500 nm) ha sido desarrollada a traves de filamentacion en solidos de impulsos mid-IR intensos. Esta fuente tiene una alta tasa de repeticion (100 kHz), alta densidad espectral y estabilidad de fase. Ademas, simulaciones numericas sugieren que la dinamica de propagacion no lineal induce auto-compresion temporal. El escalamiento de los procesos de campo fuerte, como la aceleracion de electrones, depende en gran medida de la longitud de onda del campo electrico interveniente. Esto tiene grandes implicaciones para la generacion de harmonicos altos (HHG) - mas larga sea la longitud de onda del campo, mayor es la energia de los fotones generados. En esta tesis hemos construido una fuente de luz de alta energia a 2100nm, una longitud de onda que nos permite generar fotones con energi¿as superiores a 300 eV a traves de HHG con phase-matching - y ademas demostrado extension de corte HHG hasta 190 eV en argon, en comparacion con HHG a partir de pulsos a 800 nm. Al hacer HHG, para limitar la emision de rayos-X blandos a un solo pulso de attosegundos aislado, uno necesita emplear una tecnica de gating. En esta tesis hemos extendido la te¿cnica del faro de attosegundos hasta la ventana de la agua (284-543 eV) lo cual posee interes fundamental para estudiar procesos biologicos con resolucio¿n espacio-temporal y especificidad elemental. Como esas fuentes invariablemente requieren un ensanchamiento espectral no lineal extremo, la optimizacion del pulso siempre presenta un problema. En esta tesis hemos extendido la tecnica de dispersion-scan, hasta el regimen de un solo ciclo optico y demostramos su uso como una forma de comprimir, caracterizar y estabilizar la fase de pulsos de 3.2 fs.

Plasmonics nanostructures are becoming remarkably important as tools towards manipulating photons at the nanoscale. They are poised to revolutionize a wide range of applications ranging from integrated optical circuits, photovoltaics, and biosensing. They enable miniaturization of optical components beyond the "diffraction limit'' as they convert optical radiation into highly confined electromagnetic near-fields in the vicinity of subwavelength metallic structures due to excitation of surface plasmons (SPs). These strong electromagnetic fields generated at the plasmonic "hot spots'' raise exciting prospects in terms of driving nonlinear effects in active media. The area of active plasmonics aims at the modulation of SPs supported at the interface of a metal and a nonlinear material by an external control signal. The nonlinear material changes its refractive index under an applied control signal, thereby resulting in an overall altered plasmonic response. Such hybrid nanostructures also allow for the creation of new kinds of hybrid states. This not only provides tools for designing active plasmonic devices, but is also a means of re-examining existing conventional rules of light-matter interactions. Therefore, the need for studying such hybrid plasmonic nanostructures both theoretically and experimentally cannot be understated. The present work seeks to advance and study the control of SPs excited in hybrid systems combining active materials and nanometallics, by an external optical signal or an applied voltage. Different types of plasmonic geometries have been explored via modeling tools such as frequency domain methods, and further investigated experimentally using both near-field and far field techniques such as scanning near field optical microscopy and leakage radiation microscopy respectively. First, passive SP elements were studied, such as the dielectric plasmonic mirrors that demonstrate the ability of gratings made of dielectric ridges placed on top of flat metal layers to open gaps in the dispersion relation of surface plasmon polaritons (SPPs). The results show very good reflecting properties of these mirrors for a propagating SPP whose wavelength is inside the gap. Another passive configuration employed was a plasmonic resonator consisting of dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguide ring resonator (WRR). Also, a more robust variant has been proposed by replacing the ring in the WRR with a disk (WDR). The performance in terms of wavelength selectivity and efficiency of the WDRs was evaluated and was shown to be in good agreement with numerical results. Control of SPP signal was demonstrated in the WRR configuration both electro-optically and all-optically. In the case of electro-optical control, the dielectric host matrix was doped with an electro-optical material and combined with an appropriate set of planar electrodes. A 16% relative change of transmission upon application of a controlled electric field was measured. For all-optical control, nonlinearity based on trans-cis isomerization in a polymer material is utilized. More than a 3-fold change between high and low transmission states of the device at milliwatt control powers ( ~100 W/cm^2 intensity) was observed. Beyond the active control of propagating surface plasmons, further advancement can be achieved by means of nanoscale plasmonic structures supporting localized surface plasmons (LSP). Interactions of molecular excitations in a pi-conjugated polymer with plasmonic polarizations are investigated in hybrid plasmonic cavities. Insights into the fundamentals of enhanced light-matter interactions in hybrid subwavelength structures with extreme light concentration are drawn, using ultrafast pump-probe spectroscopy. This thesis also gives an overview of the challenges and opportunities that hybrid plasmonic functionalities provide in the field of plasmon nano optics. / Las nanoestructuras plasmónicas han adquirido una importante relevancia como herramientas capaces de manipular los fotones en la nanoescala, y pueden llegar a revolucionar un amplio abanico de aplicaciones tales como los circuitos ópticos integrados, la fotovoltaica o los dispositivos biosensores. Dichas estructuras hacen posible la miniaturización de los componentes ópticos más allá del “límite de difracción” de la luz, ya que convierten la radiación óptica en campos electromagnéticos fuertemente confinados en la proximidad de estructuras metálicas de tamaño inferior a la longitud de onda mediante la excitación de plasmones de superficie (SPs). Estos campos electromagnéticos tan intensos generados en los llamados “puntos calientes” plasmónicos brindan perspectivas muy interesantes para la generación de efectos no lineales en medios activos. El área de investigación denominado plasmónica activa busca la modulación de los SPs sostenidos por la intercara entre un metal y un material no lineal mediante una señal de control externa. El índice de refracción del material no lineal cambia bajo la aplicación de la señal de control, lo cual da lugar a la modificación de la respuesta plasmónica. Estas nanoestructuras híbridas también hacen posible la aparición de nuevos tipos de estados híbridos, lo cual proporciona tanto herramientas para diseñar dispositivos plasmónicos activos como mecanismos que permiten re-examinar las reglas convencionales de la interacción luz materia. Por lo tanto, es necesario el estudio de dichas nanoestructuras plasmónicas híbridas de manera teórica y experimental. En este trabajo de tesis se analiza el control de los SPs excitados en sistemas híbridos que combinan materiales activos y nanoestructuras metálicas mediante una señal óptica externa o un voltaje aplicado. Se han investigado distintos tipos de geometrías plasmónicas utilizando herramientas de simulación basadas en métodos en el dominio de la frecuencia, y posteriormente se han caracterizado experimentalmente dichas geometrías mediante técnicas de campo cercano y de campo lejano tales como la microscopía óptica de campo cercano y la microscopía basada en pérdidas radiativas, respectivamente. En primer lugar se estudiaron elementos plasmónicos pasivos, en particular espejos plasmónicos dieléctricos que demuestran la capacidad que tienen las redes periódicas de caballones de material dieléctrico colocados sobre una superficie metálica plana para abrir intervalos prohibidos en la relación de dispersión de los plasmones de superficie propagantes o plasmones-polaritones de superficie (SPPs). Los resultados muestran que dichos espejos poseen muy buenas propiedades reflectantes para SPPs cuya energía está en el intervalo prohibido. Otra configuración pasiva analizada fueron los resonadores plasmónicos basados en anillos de guía de onda plasmónica fabricada a partir de estructuras dieléctricas sobre metal (WRR, del inglés waveguide ring resonator ). Asimismo, se propone una versión más robusta de resonador plasmónico, basada en la sustitución del anillo del WRR por un disco (WDR, del inglés waveguide disk resonator). Se ha evaluado el funcionamiento de los WDRs en términos de selectividad en longitud de onda y de eficiencia, y los resultados obtenidos presentan un buen acuerdo con las predicciones numéricas. Pasando a las configuraciones activas, se demuestra el control de la señal plasmónica en configuración WRR por medios tanto electro-ópticos como completamente ópticos. En el caso del control electro-óptico, el material dieléctrico que compone el WRR estaba dopado con un componente electro-óptico y a la estructura pasiva se le añadió un conjunto de electrodos planos. Bajo la aplicación de un campo eléctrico externo, se midió un cambio relativo en la transmisión a través de la guía plasmónica del 16%. En cuanto al control puramente óptico, se utilizó la no linealidad de un material polimérico con origen en una isomerización trans-cis. En este caso se detectó un factor 3 entre los estados de alta y baja transmisión del dispositivo con potencias de control del orden de milivatios (intensidad del haz óptico de control de unos 100W/cm2 aproximadamente). Además del control activo de los plasmones de superficie propagantes, la utilización de nanoestructuras plasmónicas que poseen resonancias plasmónicas localizadas puede dar lugar a nuevos fenómenos. En esta tesis también se han estudiado las interacciones entre las excitaciones moleculares en un polímero pi-congujado con las polarizaciones plasmónicas en nanocavidades plasmónicas híbridas. Utilizando espectroscopia de tipo bombeo-sonda con pulsos ultrarrápidos, se han analizado diversos aspectos del aumento en la interacción luz-materia para estructuras híbridas de dimensiones inferiores a la longitud de onda sometidas a concentraciones de luz muy altas. Por último, esta tesis también proporciona una visión general de los desafíos y posibilidades que las funcionalidades plasmónicas híbridas ofrecen en el campo de la nano-óptica basada en plasmones de superfície.

The requirement for imaging living structures with higher contrast and resolution has been covered by the inherent advantages offered by nonlinear microscopy (NLM). However, to achieve its full potential there are still several issues that must be addressed. To do so, it is very important to identify and adapt the key elements in a NLM for achieving an optimized interaction among them. These are 1) the laser source 2) the optics and 3) the sample properties for contrast generation. In this thesis, three strategies have been developed for pushing NLM towards its limits based on the light sample interaction optimization. In the first strategy it is experimentally demonstrated how to take advantage of the sample optical properties to generate label-free contrast, eliminating the requirement of modifying the sample either chemically or genetically. This is carried out by implementing third harmonic generation (THG) microscopy. Here, it is shown how the selection of the ultra-short pulsed laser (USPL) operating wavelength (1550 nm) is crucial for generating a signal that matches the peak sensitivity of most commercial detectors. This enables reducing up to seven times the light dose applied to a sample while generating an efficient signal without the requirement of amplification schemes and specialized optics (such as the need of ultraviolet grade). To show the applicability of the technique, a full developmental study of in vivo Caenorhabditis elegans embryos is presented together with the observation of wavelength induced effects. The obtained results demonstrate the potential of the technique at the employed particular wavelength to be used to follow morphogenesis processes in vivo. In the second strategy the limits of NLM are pushed by using a compact, affordable and maintenance free USPL sources. Such device was designed especially for two-photon excited fluorescence (TPEF) imaging of one the most widely used fluorescent markers in bio-imaging research: the green fluorescent protein. The system operating parameters and its emission wavelength enables to demonstrate how matching the employed fluorescent marker two-photon action cross-section is crucial for efficient TPEF signal production at very low powers. This enables relaxing the peak power conditions (40 W) to excite the sample. The enhanced versatility of this strategy is demonstrated by imaging both fixed and in vivo samples containing different dyes. More over the use of this laser is employed to produce second harmonic generation images of different samples. Several applications that can benefit by using such device are outlined. Then a comparison of the employed USPL source is performed versus the Titanium sapphire laser (the most used excitation source in research laboratories). The final goal of this strategy is to continue introducing novel laser devices for future portable NLM applications. In this case, the use of chip-sized semiconductor USPL sources for TPEF imaging is demonstrated. This will allow taking NLM technology towards the sample and make it available for any user. In the last strategy, the light interaction with the optical elements of a NLM workstation and the sample were optimized. The first enhancement was carried out in the laser-microscope optical path using an adaptive element to spatially shape the properties of the incoming beam wavefront. For an efficient light-sample interaction, aberrations caused by the index mismatch between the objective, immersion fluid, cover-glass and the sample were measured. To do so the nonlinear guide-star concept, developed in this thesis, was employed for such task. The correction of optical aberrations in all the NLM workstation enable in some cases to have an improvement of more than one order of magnitude in the total collected signal intensity. The obtained results demonstrate how adapting the interaction among the key elements of a NLM workstation enables pushing it towards its performance limits. / La creciente necesidad de observar estructuras complicadas cada vez con mayor contraste y resolución han sido cubiertas por las ventajas inherentes que ofrece la microscopia nolineal. Sin embargo, aun hay ciertos aspectos que deben ser ajustados para obtener su máximo desempeño. Para ello es importante identificar y adaptar los elementos clave que forman un microscopio optimizar la interacción entre estos. Dichos elementos son: 1) el laser, 2) la óptica y 3) las propiedades de la muestra. En esta tesis, se realizan tres estrategias para llevar la eficiencia de la microscopia nolineal hacia sus límites. En la primera estrategia se demuestra de forma experimental como obtener ventaja de las propiedades ópticas de la muestra para generar contraste sin el uso de marcadores mediante la generación de tercer harmónico. Aquí se muestra como la selección de la longitud de onda del láser de pulsos ultracortos es crucial para que la señal obtenida concuerde con la máxima sensibilidad del detector utilizado. Esto permite una reducción de la dosis de luz con la que se expone la muestra, elimina intrínsecamente el requerimiento de esquemas de amplificación de señal y de óptica de tipo ultravioleta (generalmente empleada en este tipo de microscopios). Mediante un estudio comparativo con un sistema convencional se demuestra que los niveles de potencia óptica pueden ser reducidos hasta siete veces. Para demostrar las ventajas de dicha técnica se realiza un estudio completo sobre el desarrollo embrionario de Caenorhabditis elegans y los efectos causados por la exposición de la muestra a dicha longitud de onda. Los resultados demuestran el potencial de la técnica para dar seguimiento a procesos morfogénicos en muestras vivas a la longitud de onda utilizada. En la segunda estrategia se diseñó una fuente de pulsos ultracortos que es compacta, de costo reducido y libre de mantenimiento para excitar mediante la absorción de dos fotones uno de los marcadores más utilizados en el entorno biológico, la proteína verde fluorescente. Los parámetros de operación en conjunto con la longitud de onda emitida por el sistema proporcionan la máxima eficiencia permitiendo el uso de potencias pico muy bajas (40 W), ideales para relajar la exposición de la muestra. La versatilidad de esta estrategia se demuestra empleando muestras fijas y vivas con diferentes marcadores fluorescentes. Este láser también es empleado para la obtención de señal de segundo harmónico en diferentes muestras. Adicionalmente, se llevó a cabo un estudio comparativo entre la fuente desarrollada y un sistema Titanio zafiro (uno de los láseres más utilizados en laboratorios de investigación). El objetivo final de esta estrategia es introducir fuentes novedosas para aplicaciones portátiles basadas en procesos nolineales. En base a esto se demuestra el uso de dispositivos construidos sobre un microchip para generar imágenes de fluorescencia de dos fotones. Esto permitirá llevar la tecnología hacia la muestra biológica y hacerla disponible para cualquier usuario. En la última estrategia se optimiza de la interacción de la luz con los elementos ópticos del microscopio y la muestra. La primera optimización se lleva a cabo en la trayectoria óptica que lleva el láser hacia el microscopio empleando un elemento adaptable que modifica las propiedades espaciales de la luz. Para mejorar la interacción de la luz y la muestra se miden las aberraciones causadas por la diferencia de índices refractivos entre el objetivo, el medio de inmersión y la muestra. Esto se realizo empleando el concepto de la “estrella guía nolineal” desarrollado en esta tesis. Mediante la corrección de las aberraciones en el sistema de microscopia nolineal se obtiene una mejora, en algunos casos de un orden de magnitud, en la intensidad total medida. Los resultados obtenidos en esta tesis demuestran como el adaptar la interacción entre los elementos clave en un microscopio nolineal permiten llevar su desempeño hacia los límites.

Many outstanding problems in quantum physics, such as high-Tc superconductivity or quark confinement, are still - after decades of research - awaiting commonly accepted explanations. One reason is that such systems are often difficult to control, show an intermingling of several effects, or are not easily accessible to measurement. To arrive at a deeper understanding of the physics at work, researchers typically derive simplified models designed to capture the most striking phenomena of the system under consideration. However, due to the exponential complexity of Hilbert space, even some of the simplest of such models pose formidable challenges to analytical and numerical calculations. In 1982, Feynman proposed to solve such quantum models with experimental simulation on a physically distinct, specifically engineered quantum system [Int. J. Theor.Phys. 21, 467]. Designed to be governed by the same underlying equations as the original model, it is hoped that direct measurements on these so called quantum simulators (QSs) will allow to gather deep insights into outstanding problems of physics and beyond. In this thesis, we identify four requirements that a useful QS has to fulfill, relevance, control, reliability, and efficiency. Focusing on these, we review the state of the art of two popular approaches, digital QSs (i.e., special purpose quantum computers) and analog QSs (devices with always-on interactions). Further, focusing on possibilities to increase control over QSs, we discuss a scheme to engineer quantum correlations between mesoscopic numbers of spinful particles in optical lattices. This technique, based on quantum polarization spectroscopy, may be useful for state preparation and quantum information protocols. Additionally, employing several analytical and numerical methods for the calculation of many-body ground states, we demonstrate the variety of condensed-matter problems that can be attacked with QSs consisting of ultracold ions or neutral atoms in optical lattices. The chosen examples, some of which have already been realized in experiment, include such diverse settings as frustrated antiferromagnetism, quantum phase transitions in exotic lattice geometries, topological insulators, non-Abelian gauge-fields, orbital order of ultracold Fermions, and systems with long-range interactions. The experimental realization of all of these models requires techniques which go beyond standard optical lattices, e.g., time-periodic driving of lattices with exotic geometry, loading ultracold atoms into higher bands, or immersing trapped ions into an optical lattice. The chosen models, motivated by important open questions of quantum physics, pose difficult problems for classical computers, but they may be amenable in the near future to quantum simulation with ultracold atoms or ions. While the experimental control over relevant models has increased dramatically in the last years, the reliability and efficiency of QSs has received considerably less attention. As a second important part of this thesis, we emphasize the need to consider these aspects under realistic experimental conditions. We discuss specific situations where terms that have typically been neglected in the description of the QS introduce systematic errors and even lead to novel physics. Further, we characterize in a generic example the influence of quenched disorder on an analog QS. Its performance for simulating universal behavior near a quantum phase transition seems satisfactory for low disorder. Moreover, our results suggest a connection between the reliability and efficiency of a QS: it works less reliable exactly in those interesting regimes where classical calculations are less efficient. If QSs fulfill all of our four requirements, they may revolutionize our approach to quantum-mechanical problems, allowing to solve the behavior of complex Hamiltonians, and to design nano-scale materials and chemical compounds from the ground up.

Free-space optical (FSO) communications is drawing increasing attention as a promising technology to overcome bandwidth shortage, of an evermore crowded wireless marketplace. Currently radio-frequency (RF) technology struggles to cope with the ever increasing demand for high-bandwidth data. Moreover, as the number of users increases, the RF spectrum is getting so crowded that there is virtually no room for new wireless services, with the additional inconvenient of limited bandwidth restriction for using a RF band and the license fees that have to be paid for such bands. FSO communications offer clear advantages over other alternatives such as narrower and more secure beams, virtually limitless bandwidth and no regulatory policies for using optical frequencies and bandwidth. Moreover, in the space sector FSO technology is becoming more attractive for satellite communication systems due to the less mass and power requirements --compared to RF. The major drawback for deploying wireless links based on FSO technology is the perturbation of the optical wave as it propagates through the turbulent atmosphere. Many effects are produced, of which the most noticeable is the random fluctuations of the signal-carrying laser beam irradiance (intensity), phenomenon known as scintillation and quantified by the scintillation index (SI). The statistical analysis of the random irradiance fluctuations in FSO links is conducted through the probability density function (PDF), from which one can obtain other statistical tools to measure link performance such as the probability of fade and the bit error-rate (BER). Nowadays, the most widespread models for the irradiance data are, by far, the Lognormal (LN) and Gamma-Gamma (GG) distributions. Although both models comply with actual data in most scenarios neither of them is capable of fitting the irradiance data under all conditions of atmospheric turbulence for finite receiving aperture sizes, i.e. in the presence of aperture averaging. Furthermore, there are several cases where neither the LN or the GG model seem to accurately fit the irradiance data, specially in the left tail of the PDF. The work presented in this thesis is devoted to propose a new model for the irradiance fluctuations in FSO links under atmospheric turbulence, in the presence of aperture averaging; resulting in the exponentiated Weibull (EW) distribution. A physical justification for the appearance of the new model is provided along with numerous test scenarios in the weak-to-strong turbulence regime --including numerical simulations and experimental data-- to assess its suitability to model the irradiance data in terms of the PDF and probability of fade. Here, a semi-heuristic approach is used to find a set of equations relating the EW parameters directly to the SI. Such expressions were tested offering a fairly good fitting the actual PDF of irradiance data. Furthermore, for all the scenarios tested a best fit version of the EW PDF is obtained and always presents itself as an excellent fit to the PDF data. The new model has been compared to the LN and GG distributions proving to cope to the predictions made by those and, in some cases, even outperforming their predictions. Additionally, a new closed-form expression has been derived for estimating the BER performance under EW turbulence, for intensity-modulation/direct-detection (IM/DD) systems using on-off keying (OOK) modulation. Moreover, this expression has been extended to include pointing errors. Finally, the exponentiated Weibull PDF has been proved to be valid with fully and partially coherent beams. The results presented here suggest that the EW distribution presents the better fit for data under different scenarios, thus, the exponentiated Weibull distribution becomes an excellent alternative to model the PDF of irradiance data under all conditions of atmospheric turbulence in the presence of aperture averaging.

Un dispositivo de captura (escáner o cámara) de imágenes digitales no es un instrumento de medida del color como un espectrofotómetro o un tele-espectrocolorímetro. Aunque codifica la información espectral contenida en una escena en tres canales de color RGB, los datos digitales RGB asociados a un estímulo visual no son los mismos que codificaría el observador humano, el cual se caracteriza por el observador patrón colorimétrico CIE-1931 XYZ. Este trabajo desarrolla un algoritmo general de caracterización colorimétrica para cualquier dispositivo de captura incorporando un estudio del grado de exactitud (errores sistemáticos) y precisión (errores aleatorios) con respecto un tele-espectrocolorímetro.El modelo de caracterización se divide en un algoritmo de caracterización espectral y otro de caracterización colorimétrica. El dispositivo de captura usado ha sido una cámara CCD-RGB Sony DXC-930P conectada a una tarjeta digitalizadora Matrox MVP-AT 850.La caracterización espectral consiste en la determinación de las funciones de igualación, las cuales son básicamente las curvas de sensibilidad espectral relativa más dos factores de escalado: el escalado conjunto entre ellas y el balance de blanco ideal. El punto de partida para obtenerlas es la determinación de las funciones espectrales de conversión optoelectrónica (OECSF), que no son más que una relación empírica entre los niveles digitales RGB y la exposición espectral incidente en el sensor optoelectrónico. Gracias a ellas, hemos comprobado que la ley de la reciprocidad -la respuesta del sistema es independiente frente a valores idénticos de exposición espectral, pero obtenidos variando la apertura relativa N o el tiempo de exposición t- se verifica en Fotografía Digital, cuando no se verifica en Fotografía Fotoquímica. Utilizando dos términos ambivalentes de sensibilidad espectral -responsividad y espectro de acción- hemos determinado también las sensibilidades espectrales completas de los canales-color RGB, las cuales se han utilizado para describir el comportamiento de transferencia fotónica (función espectral de ganancia incremental, eficiencia cuántica, etc), un modelo de codificación cromática y las funciones de igualación.La caracterización colorimétrica consiste en la transformación de los datos digitales RGB en valores triestímulo absolutos CIE-XYZ (en cd/m2) frente a condiciones espectroradiométricas variables y desconocidas a priori. Así, en primer lugar, se ha aplicado un balance de grises sobre los datos digitales RGB para convertirlos en valores colorimétricos relativos RGB. En segundo lugar, se ha incluido por primera vez un algoritmo de adaptación luminosa con el que podemos variar controladamente la apertura relativa N del objetivo fotográfico sin por ello variar la especificación triestímulo absoluta CIE-XYZ que estimamos a partir del perfil colorimétrico entre RGB y XYZ. Con estos dos pasos previos, se ha analizado el nivel de reproducción del color de nuestro dispositivo de captura con respecto un tele-espectrocolorímetro, tanto en su estado bruto como una vez compensado con un modelo lineal de corrección de color. Se ha evaluado el grado de exactitud utilizando el espacio psicométrico CIE-L*a*b* y el algoritmo de índice de reproducción del color tras implementar previamente el modelo de apariencia de colores aislados Hunt'91. También se ha analizado la propagación de los errores aleatorios desde los niveles digitales RGB hasta CIE-XYZ y CIE-L*a*b*. Por último, se ha obtenido la gama de colores reproducibles del dispositivo a partir de la determinación del triángulo de primarios fundamentales y la captura simulada de los colores óptimos y varias muestras del Atlas Munsell. Los resultados obtenidos indican que, en general, debido a las limitaciones optoelectrónicas del rango dinámico espectroradiométrico de entrada, nuestro dispositivo de captura, en estado bruto, aclara y desatura los colores, con lo cual los errores colorimétricos serán más notables cuando se pretenda captar colores oscuros con una apertura relativa N fija. / Un dispositiu de captació (escàner o càmera) d'imatges digitals no és un instrument de mesura del color com un espectrefotòmetre o un tele-espectrecolorímetre. Encara que codifica la informació espectral inclosa en una escena en tres canals de color RGB, les dades digitales RGB associades a un estímul visual no són les mateixes que codificaria l'observador humà, el qual es caracteritza per l'observador patró colorimètric CIE-1931 XYZ. Aquest treball desenvolupa un algorisme general de caracterització colorimètrica per a qualsevol dispositiu de captació agefint-ne un estudi del grau d'exactitud (errors sistemàtics) i precisió (errors aleatoris) respecte un tele-espectrecolorímetre.El model de caracterització es divideix en un algorisme de caracterització espectral i un altre de caracterització colorimètrica. El dispositiu de captació emprat ha sigut una càmera CCD-RGB Sony DXC-930P conectada amb una tarja digitalizadora Matrox MVP-AT 850.La caracterització espectral consisteix en la determinació de les funcions d'igualació, els quals són bàsicament les corbes de sensibilitat espectral relativa a més de dos factors d'escalat: l'escalat conjunt entre elles i el balanç de blanc ideal. El punt de sortida per a obtenir-les és la determinació de les funcions espectrals de conversió optoelectrònica (OECSF), que no són més que una relació empírica entre els nivells digitals RGB i l'exposició espectral incident sobre el sensor optoelectrónic. Gràcies a elles, hem comprovat que la llei de la reciprocitat -la resposta del sistema és independent en front a valors idèntics d'exposició espectral, però obtinguts variant l'obertura relativa N o el temps d'exposició t- es verifica en Fotografía Digital, quan no es verifica en Fotografía Fotoquímica. Emprant dos conceptes ambivalents de sensibilitat espectral -responsivitat i espectre d'acció- hem determinat també les sensibilitats espectrals complertes dels canals RGB, els quals s'han utilitzat per a descriure el comportament de transferència fotònica (funció espectral de ganància incremental, eficiència quàntica, etc) i un model de codificació cromàtica, i per a calcular les funcions d'igualació.La caracterització colorimètrica consisteix en la transformació de les dades digitals RGB en valors triestímuls absoluts CIE-XYZ (en cd/m2) en front a condicions espectreradiomètriques variables i desconegudes a priori. Així, en primer lloc, s'ha aplicat un balanç de grisos sobre les dades digitals RGB per a convertir-les en valors colorimètrics relatius RGB. En segon lloc, s'ha afegit per primera vegada un algorisme d'adaptació luminosa amb el que podem variar controladament l'obertura relativa N de l'objectiu fotogràfic sense per això variar l'especificació triestímul absoluta CIE-XYZ que estimem a partir del perfil colorimètric entre RGB i XYZ. Amb aquests dos pasos previs, hem analitzat respecte un tele-espectrecolorímetre el nivell de reproducció del color del nostre dispositiu de captació, tant en el seu estat brut de funcionament com una vegada compensat amb un model lineal de correcció de color. Hem avaluat el grau d'exactitud utilitzant l'espai psicomètric CIE-L*a*b* i l'algorisme d'ìndex de reproducció del color després d'implementar el model de aparença de colors aïllats Hunt'91. Hem analitzat també la propagació d'errors aleatoris des dels nivells digitals RGB fins a CIE-XYZ i CIE-L*a*b*. Per últim, hem determinat a més el conjunt o gamma de colors reproduïbles del dispositiu a partir de l'obtenció del triangle de primaris fonamentals i la captació simulada dels colors òptims i vàries mostres de l'Atlas Munsell. Els resultats obtinguts indiquen que, en general, degut a les limitacions optoelectròniques del rang dinàmic espectreradiomètric d'entrada, el nostre dispositiu de captació, en el seu estat brut de funcionament, claretja i desatura el colors, amb lo qual els errors colorimètrics destaquen més quan van associats a la captació de colors foscos amb una obertura relativa N fixa. / A digital image capture device (scanner or camera) is not a tool for measuring colour as a spectrophotometer or a tele-spectroradiometer. Although it encodes the spectral information enclosed in a scene into three RGB colour channels, the RGB digital data associated to a visual stimulus are not the same that would encode a human observer, who is characterised by the CIE-1931 XYZ standard observer. This work shows a general algorithm of colorimetric characterisation for any digital image capture device incorporating a study of the accuracy (systematic errors) and precision (statistical errors) levels with respect to a tele-spectroradiometer.The characterisation model is divided into two algorithms of spectral and colorimetric characterisation. The digital image capture device is a CCD-RGB camera Sony DXC-930P connected to a frame grabber Matrox MVP-AT 850.The spectral characterisation consists of the calculation of the colour-matching functions, which are basically the curves of relative spectral sensitivity modified by two scaling factors: the joint scaling factor between them and the ideal white balance. The first step to obtain them is the measurement of the opto-electronic conversion spectral functions (OECSF), which are just an empirical relationship between the RGB digital levels and the spectral exposure incident on the optoelectronic sensor. Thanks to these functions, we have proved that the reciprocity law -identical values of spectral exposure yield identical responses even if the relative aperture N or the exposure time t change- is verified in Digital Photography, although it is not verified in Photochemical Photography. Using two equivalent concepts of spectral sensitivity -responsivity and action spectrum- we have also determined the complete spectral sensitivities of the RGB colour-channels, which are used to describe the optoelectronic performance (incremental gain spectral function, quantum efficiency, etc), a chromatic encoding model, and the colour-matching functions.The colorimetric characterisation consists of transforming the RGB digital data into absolute tristimulus values CIE-XYZ (in cd/m2) under variable and unknown spectroradiometric conditions. So, at the first stage, a grey balance has been applied over the RGB digital data to convert them into RGB relative colorimetric values. At a second stage, an algorithm of luminance adaptation has been included for the first time. With this algorithm, we can change suitably the relative aperture N of the zoom lens without changing the absolute tristimulus specification CIE-XYZ estimated from the colorimetric profile between RGB and XYZ colour spaces. With these previous steps, the colour reproduction level of our digital image capture device has been compared with that obtained with a tele-spectoradiometer, both in a raw state and with the corrections from a linear model of colour correction. The accuracy level has been evaluated using the colour space CIE-L*a*b*. The algorithm of colour reproduction index has been evaluated implementing previously the unrelated Hunt'91 colour appearance model. The propagation of the statistical errors from the RGB digital data to CIE-XYZ and CIE-L*a*b* values has been also studied. Finally, the device gamut has been obtained from the determination of the additive triangle of fundamental primaries and the simulated capture of the optimal colours and some Munsell chips. The obtained results indicate that, in general, due to the optoelectronic limitations of the spectroradiometric dynamic range, our digital image capture device, in raw performance, lightens and desaturates the colours, so dark colours captured with a fixed relative aperture N will have high colorimetric errors.

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The goal of this thesis is to investigate the influence of current modulation in the dynamics of the low-frequency fluctuations (LFF) regime induced by optical feedback in semiconductor lasers. In this regime the laser output exhibits apparently random and sudden dropouts that, in some statistical properties, are similar to excitable neuronal spikes. Long time series containing tens of thousands of LFF dropouts were experimentally acquired and simulated, using the Lang and Kobayashi model, under different conditions. By detecting the individual dropouts, the intensity time series were transformed in series of inter-spike intervals (ISI). We then analyzed the ISI sequences by using a symbolic method of analysis capable of unveil serial correlations in data sets, known as ordinal symbolic analysis. Our findings reveal the existence of a hierarchical and clustered organization of ordinal patterns in the ISI series. When the laser is subject to periodical external forcing, through modulation of the injection current, we identify clear changes in the dynamics as the increase of the modulation amplitude induces deterministic-like behavior in the system. When the modulation frequency is varied, the change in the statistics of the various symbols is empirically shown to be related to specific changes in the ISI distribution, which arise due to different noisy phase-locking regimes. We also investigated how the spike rate is affected by the modulation, for different parameters that determine the natural (without modulation) spike rate. When the intrinsic spike dynamics is slow, fast modulation can produce faster spikes. When the intrinsic dynamics is already fast, modulation cannot induce much faster spikes. Similar effects were observed in the spike correlations: we found that higher natural spike rates wash out the effects of the modulation in the spike correlations. Simulations of the Lang and Kobayashi model are shown to be in good agreement with the experimental observations. The results reported in this thesis may be important to the use of semiconductor lasers as optical spiking neurons in information processing networks inspired by biological ones, and more generally, to the analysis of serial correlations in spiking excitable systems. Future work may include investigations of how correlations that encode an external signal spread in a small network of semiconductor lasers. / El objetivo de esta tesis es investigar la influencia de la modulación de corriente sobre la dinámica de los láseres semiconductores con realimentación óptica en el regimen de fluctuaciones de baja frequencia (low-frequency fluctuations, o LFF) . En este regimen la intensidad de la salida del láser muestra caídas abruptas y aparentemente aleatorias que son similares, en algunas propiedades estadísticas, a los spikes neuronales excitables. Largas series temporales, que contienen decenas de estas caídas, fuerón adquiridas experimentalmente y simuladas usando el modelo de Lang y Kobayashi, bajo diferentes condiciones. Al detectar las caídas individuales, las series temporales son transformadas en series de intervalos entre caídas (inter-spike intervals, o ISI). Seguidamente, se analizan las secuencias de ISI mediante el uso de un método de análisis simbólico, conocidos como análisis simbólico ordinal, capaz de revelar correlaciones seriales en los conjuntos de datos. Nuestros resultados revelan la existencia de una organización jerárquica y agrupada de los patrones ordinales en las series de ISI. Cuando el láser está sujeto a forzamiento externo periódico, a través de la modulación de la corriente de inyección, identificamos cambios claros en la dinámica. El aumento de la amplitud de modulación induce comportamiento determinista en el sistema. Cuando la frecuencia de modulación es variada, se muestra empíricamente el cambio en las estadísticas de los distintos símbolos, que está relacionado a los cambios específicos en la distribución de los ISI. Estos cambios surgen debido a diferentes regímenes ruidosos en el bloqueo en fase. También se investigó cómo la frecuencia de aparicion de las caídas se ve afectada por la modulación, para los diferentes parámetros que determinan la frecuencia natural (sin modulación) de las caídas. Cuando la dinámica intrínseca de las caídas es lenta, la modulación rápida puede producir caídas más rápidas. Cuando la intrínseca dinámica ya es rápida, la modulación no puede inducir caídas mucho más rápidas. Efectos similares fueron observados en las correlaciones de las caídas: encontramos que mayores tasas de las caídas naturales acaban con los efectos de la modulación en las correlaciones. Las simulaciones de lo modelo de Lang y Kobayashi se muestran estar en buen acuerdo con las observaciones experimentales. Los resultados presentados en esta tesis pueden ser importantes para el uso de láseres semiconductores por ejemplo como neuronas ópticas en redes de procesamiento de información, inspiradas en las redes de neuronas biológicas, y más generalmente, para el análisis de las correlaciones seriales en sistemas excitables. El trabajo futuro podría incluir la investigación de cómo correlaciones que codifican una señal externa se propagan en una pequeña red de láseres semiconductores.