O uso de processos ópticos não lineares é um dos recursos utilizados na microscopia óptica para a obtenção de imagens tridimensionais (3D), sem destruição, de objetos transparentes. A obtenção de imagens em 3D é um recurso muito importante por permitir uma visualização de objetos com estruturas internas complexas. Existem vários processos ópticos não lineares que são usados em microscopia; por exemplo, geração de segundo harmônico, geração de terceiro harmônico, absorção de dois fótons, fluorescência induzida por absorção de dois fótons, etc. cada qual com suas características próprias, vantagens e desvantagens, etc. Um efeito não linear refrativo de grande importância é a rotação não linear da polarização elíptica (RNLPE), que é uma não linearidade tipo Kerr semelhante ao efeito de auto focalização. Através da RNLPE, é possível determinar a magnitude absoluta da não linearidade local, e com esta característica é possível o desenvolvimento de uma microscopia ainda nunca utilizada. O sinal da RNLPE não é regularmente utilizado para microscopia em parte devido à dificuldade de sua medida. No entanto, recentemente foi desenvolvida uma nova maneira, de determinação precisa e simples da RNLPE com o uso de um polarizador girante e um amplificador sensível à fase dupla. Dessa forma, neste trabalho propomos a prova de conceito de um microscópio simples utilizando o sinal de RNLPE. Implementamos um microscópio óptico baseado na medida da RNLPE utilizando um polarizador girante, um amplificador sensível à fase dupla, componentes de baixo custo e um sistema laser de femtossegundo. Obtivemos imagens de capilares de vidros, esferas de vidros, fibras ópticas e células de cebola com sucesso. / The use of nonlinear optical processes is one approach used in the optical microscopy, to obtain three-dimensional (3D) images, without destruction, of transparent objects. The acquisition of 3D images is an important resource to allow better visualization of those objects with internal complex structures. Various nonlinear optical processes are used in microscopy; for example, second-harmonic generation, third-harmonic generation, two-photon absorption, fluorescence induced by two-photon absorption, etc. which one with particular characteristics, advantage and disadvantage, etc. An interesting refractive nonlinearity, the nonlinear elliptical polarization rotation (NEPR) which is a Kerr nonlinearity similar to self focusing. Through NEPR, it is possible to determine the absolute magnitude of nonlinearity location, and this feature is possible to develop even never used microscopy. The NEPR signal is not regularly used for microscopy due to its difficult measurement. However, recently a new accurate and simple method of measurement NEPR was developed with use of rotating polarizer and a dual-phase lock-in amplifier. In this way, in this work we propose a proof of concept of one simple microscopy using the NEPR signal. We assembled a optical microscopy based on NEPR measurement using a rotating polarizer, a dual phase lock-in, low cost components, and a femtosecond laser system. We have successfully obtained image of glass capillaries, optical fibers, glass beds and onion cells.

Esta Tese aborda duas importantes vertentes de pesquisa em polímeros conjungados (PC), bastante relevantes na Eletrônica Orgânica (EO) e na área de Biossensores. Com respeito à EO, estudam-se as interfaces PC - metal (M) por meio da espectroscopia vibracional de Geração de Soma de Frequências, cuja sigla mais comum é SFG - derivada do seu nome inglês Sum Frequency Generation. Este problema é de grande importância porque na interface acontecem fenômenos essenciais para o funcionamento de dispositivos, como por exemplo a injeção e coleta de cargas. Deve-se ressaltar que poucos trabalhos na literatura investigam o problema da interface PC-M, e aqueles que o fazem, ou sondam interfaces diferentes daquelas de dispositivos reais, ou são estudos teóricos, com necessidade da comprovação experimental, ou ainda usam ferramentas sem especificidade a interfaces. Neste ponto, o estudo da interface PC-M feita nesta Tese apresenta como expressivo diferencial o uso da espectroscopia SFG às interfaces PC-M do tipo encontrado em dispositivos usuais da EO. A técnica SFG permite determinar o ordenamento molecular nas interfaces através da análise quantitativa das vibrações das duplas ligações dos PC, que é a região molecular ativa durante o funcionamento dos dispositivos da EO. Além disso, a simples análise qualitativa dos espectros SFG indica a ocorrência de dopagem (transferência de carga) em algumas interfaces PC-M. Dentre as conclusões deste trabalho, destaca-se o entendimento de como a organização molecular da interface influencia a transferência de carga espontânea entre PC e M. Para tanto, construiu-se um modelo de ordenamento molecular (MOM) baseado nos resultados de SFG, que levando em conta o alinhamento energético (AE) entre os níveis de Fermi dos materiais na interface, estabelece a correlação entre arranjo molecular e transferência de carga. Para o estudo, escolheram-se os metais Al e Au, e os PCs comerciais poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) regioregular e poli(9,9-dioctilfluoreno) (PF8), por serem comumente usados em dispositivos da EO. A combinação MOM-AE explica, por exemplo, a não ocorrência de dopagem nas interfaces P3HT-M. Neste caso, o MOM prevê o empacotamento π ao longo do plano da superfície metálica de modo que o contato PC-M estabelece-se através das cadeias alquila (isolantes) do P3HT. No caso de PF8-Au, verifica-se dopagem tipo p. Na interface PF8-Al, embora existam cadeias alinhadas à superfície metálica e com o plano dos anéis paralelo à mesma, favorecendo a transferência de carga, a igualdade das funções trabalho (AE) de cada material impede a dopagem. Também se verificaram diferenças quantitativas no ordenamento molecular do PC em função do método de preparação da amostra: i) PC depositado sobre substrato metálico ou ii) metal evaporado sobre filme do PC. De forma qualitativa, analisam-se copolímeros: poli(9,9-n-dihexil-2,7-fluorenodiilvinileno-alt-2,5 tiofeno) (L29) e iv) poli(9,9-di-hexilfluorenodiilvinileno-alt-1,4-fenilenovinileno) (L16), em interfaces com os mesmos metais. Neste caso, observa-se dopagem em todas as interfaces. O estudo inserido na área de Biosensores é motivado pela vasta gama de trabalhos que relatam o uso das propriedades ópticas (PO) de PEC como ferramenta sensora em sistemas biológicos, e sua modulação via interação com surfactantes. Foi então realizada a análise, por meio de técnicas de espectroscopia óptica convencional - Absorção Óptica (AO) e Fotoluminescência (PL) - e da técnica de Microcalorimetria Isotérmica por Titulação, da interação entre polieletrólitos conjugados (PEC) e surfactantes em solução aquosa. A formação do complexo PEC+surfactante ocorre mediante modificação do estado de agregação do polímero que, por sua vez, gera alterações em suas POs. Assim este estudo visa o entendimento de como as forças hidrofóbicas, eletrostáticas, fatores termodinâmicos e estrutura química de PECs e surfactantes influenciam as POs dos complexos formados. Pela primeira vez na literatura, relata-se a ocorrência de interação eletrônica entre PEC e surfactante. Isto acontece no caso do complexo formado pelo PEC aniônico, derivado do PPV, o poli [5 - metoxi 2 - (3 sulfopropoxi) - 1,4 fenilenovinileno] (MPSPPV), e o surfactante dodecilbenzeno sulfonato de sódio (DBS). A inédita interação eletrônica ocorre em solução, resultando em dramáticas modificações nos estados eletrônicos do MPSPPV devido à forte interação hidrofóbica com o DBS. Isto gera expressivos deslocamentos, em torno de 0,5 eV ou 100 nm, para a luminescência do complexo em relação à do MPSPPV puro. Isso torna o complexo MPSPPV+DBS bastante promissor, pois apresenta POs sintonizáveis, em função da concentração de surfactante. Para explicar as novas POs do complexo MPSPPV+DBS, propõe-se um modelo baseado na formação do complexo MPSPPV+DBS autoorganizado em um arranjo molecular específico. Neste arranjo, a proximidade entre os grupos conjugados de cada molécula leva ao realinhamento dos níveis energéticos, sob regime de forte acoplamento. A fim de estender e generalizar o trabalho, estudam-se surfactantes de diversas estruturas químicas ao constituírem complexos com o PEC aniônico (MPSPPV) e com o PEC catiônico, o poli [2,5 - bis ( 2 - (n, n -dietilamônio brometo) etoxi) - 1, 4 - alt - 1, 4 - fenileno] (DAB). Os surfactantes estudados são: dodecil sulfato de sódio (SDS), dodecilbenzeno sulfonato de sódio (DBS), t - octil - fenoxi - polietoxi - etanol (TX100) e dodeciltrimetil brometo de amônia (DTAB). Essas descobertas podem ter implicações importantes para o projeto de plataformas para aplicações em biosensores, e para a melhoria do desempenho e durabilidade de dispositivos de EO. / This Thesis addresses two important branches of the conjugated polymer (CP) research which are relevant to Organic Electronics (OE) and Biosensors. Concerning OE, the interfaces CP-metal (M) are studied by the Sum-Frequency Generation (SFG) vibrational spectroscopy. This problem is quite important since fundamental phenomena that are essential to the performance of organic devices take place at this interface, such as charge injection and collection. It should be stressed that few papers in the literature focus on the CP-M interface, and they either probe different interfaces from those present in the devices, or use analytical tools without specificity to the interfaces, or else they are theoretical studies requiring experimental verification. In this regard, the study of the CP-M interface accomplished in this Thesis shows the advantage over previous studies due to the use of SFG spectroscopy to the CP-M interfaces usually found in the organic devices. Furthermore, SFG spectroscopy allows a determination of the molecular arrangement at the interfaces by a quantitative analysis of the vibrations of the double bonds, which are the molecular regions directly involved in the operation of OE devices. Furthermore, a simple and qualitative analysis of the SFG spectra leads to the recognition of doping (charge transfer) in some CP-M interfaces. Among the most important conclusions, emerges the understanding of how the molecular order affects the spontaneous charge transfer between PC and M at the interface. This was attained through a molecular order model (MOM) based on the SFG results and on the energy alignment (EA) between the Fermi levels of the PC and metal at the interface. For this study were used the metals Al and Au, and the commercial CPs regioregular poly(3-hexylthiofene) (P3HT) and poly(9,9-dioctylfluorene) (PF8), which are commonly used in OE. The MMO-EA combination explains that reason for not detecting doping in P3HT-M interfaces, where the MMO has suggested π-stacking along the surface plane, resulting in little interaction between CPs electrons with the metal. The p-doping is found in the PF8-Au interface. For the interface PF8-Al, although the MMO implies that the polymeric chains are aligned to the metallic surface with their aromatic rings parallel to the surface, which is favorable for charge transfer process, the equality between the work functions (EA) of the materials prevents doping. It has also been observed quantitative differences in chain orientation for samples prepared by different methods: i) CP film spread over metallic substrates and ii) metal evaporated onto CP films. In a qualitative way, the 2 copolymers - poly(9,9-n-dihexyl-2,7-fluorenediilvinylene-alt-2,5 thiophene) (L29) and poly(9,9-di-hexylfluorenediilvinylene-alt-1,4-fenilenevinylene) (L16) - were analyzed at interfaces with the same metals. In all these cases, doping is observed. The study related to Biosensors is motivated by the large number of paper reporting the use of optical properties (OP) of CPE as a sensing tool in biological systems, and their modulation via interaction with surfactants. Therefore, an investigation of the interaction between conjugated polyelectrolytes (CPE) and surfactants in aquous solution was performed by convencional optical spectroscopy - Optical Absorbance (OA) and Photoluminescence (PL) - and the thermodynamic technique named Isothermal Titration Microcalometry. The formation of the CPE+surfactant complex is followed by modifications in the aggregation state of the polymer, which in turn generates modifications on its OPs. Therefore, this study aims the understanding of how hydrophobic and/or electrostatic forces, thermodynamic factors and chemical structure of the CPE and surfactants affect the OPs of the complexes. For the first time in the literature related to PEC+surfactant complexes, electrocnic interaction is noticed when the an anionic PPV derivative, poly [5 - metoxy 2 (3 sulfopropoxi) 1,4 fenilenovinileno] (MPSPPV), interacts with the surfactant Sodium dodecylbenzene sulfatonate (DBS). The striking electronic interaction occours in aqueous solution and dramatic modifications takes place in the electronic states of MPSPPV due to its strong hydrophobic interaction with DBS. The PL of complex MPSPPV+DBS presents a remarkable blue-shift of about 0,5 eV (or 100 nm), when compared to the PL of MPSPPV. Consequently, the MPSPPV+DBS has tunable OPs, within a wide range of the visible spectrum, as a function of the surfactant concentration. In order to explain these changes of OPs, is proposed a model based on the formation of a self-organized MPSPPV+DBS complex with a specific molecular arrangement. In this hybrid aggregate, the small distance between the conjugated groups of each molecule leads to a realignment of the energy levels. The complete study, however, investigated the complexes formed with the surfactants: Sodium dodecyl sulfate (SDS), Sodium dodecylbenzene sulfatonate (DBS), t - octyl - phenoxy - polyethoxy - ethanol (TX100) and dodecyltrimethyl Ammonium Bromide (DTAB), in interaction with both the anionic PEC (MPSPPV) and the cationic poly [2,5 - bys ( 2 - (n, n -diethylammonium bromide) ethoxy) - 1, 4 - alt - 1, 4 - fenylene] (DAB). These discoveries are expected to have important implications to the design of platforms for biosensor applications, and to the improvement of performance and durability of OE devices.

A utilização de laser para estudo, análise e caracterização de materiais é de imensa importância no desenvolvimento e progresso da ciência e tecnologia, melhorando ciclicamente a área de ótica não linear (ONL). Estudos do comportamento de compostos orgânicos cujas estruturas são π conjugadas mostram sua ampla aplicabilidade em dispositivos eletrônicos e na área medicinal. A adição de grupos laterias doadores ou aceitadores de elétrons têm a capacidade de aumentar os efeitos ópticos não lineares nestes compostos, otimizando suas propriedades. Nesta dissertação de mestrado, foram realizados estudos em compostos orgânicos focados em suas características ópticas não lineares. Nove derivados de chalconas e quatro derivados de azometinas foram analisadas através da técnica de espalhamento hiper-Rayleigh (HRS) e da técnica de varredura-z, cujos efeitos óticos não lineares observados correspondem à segunda e terceira ordem da polarizabilidade, respectivamente. Com o espalhamento hiper-Rayleigh, foram determinadas a primeira hiperpolarizabilidade βHRS cujo valor mais alto foi 24×10−30 cm5/esu para as chalconas e 273×10−30 cm5/esu para as azometinas. A técnica de varredura-z foi utilizada para determinar o espectro da seção de choque de absorção de dois fótons (σ2PA) cujos valores de pico das moléculas derivadas de chalconas são de aproximadamente 15 GM e algumas apresentaram estados excitados que são permitidos apenas por absorção de dois fótons. Duas das moléculas derivadas de azometinas apresentaram valores de pico da ordem de 12 GM, uma não apresentou absorção de dois fótons e uma apresentou valor de pico de 55 GM. Além disso, foi utilizado o método de Soma-Sobre-Estados (SOS - do inglês Sum-Over-States) para determinar os momentos de dipolo de transição e diferença de momentos de dipolo permanente de todos os derivados. / The use of lasers for study, analyses and characterization of materials are of great importance for progress and development of science and technology, improving in a cyclic way the nonlinear optics area (NLO). Studies of the behave of π-conjugated organic compounds show its wide applicability in electronic devices and in the medicinal area. Adding electron donor or acceptor lateral groups to these compounds may alter its nonlinear optical effects, optimizing its properties. In this Master dissertation, studies on organic compounds focused in its nonlinear optical characteristics were realized. Nine chalcone derivatives and four azomethines derivatives were analyzed using the Hyper-Rayleigh Scattering technique (HRS) and Z-Scan technique, by which the nonlinear optical effects observed corresponds to the second and third order of the polarizabilities, respectively. With the HRS the first hyperpolarizability βHRS was determined, which the highest values was of 24×10−30 cm5/esu for the chalcones, and 273×10−30 cm5/esu for the azomethines. The Z-Scan technique was utilized for determining the two-photon cross-section σ2PA which peak values of the chalcone derivatives were of approximately 15 GM and some of them presented excited states that are only allowed by two-photon absorption. Two of the azomethines derivatives molecules presented peak values of the order of 12 GM, one of them did not present two-photon absorption, and one presented peak value of 55 GM. Furthermore, the Sum-Over-States (SOS) method was used to determine the transition dipole momentums and the difference of permanent dipole momentum of all of the derivatives.

Este trabalho teve como objetivo a montagem de um sistema de otimização de pulsos ultracurtos (oscilador laser modelocked de 15 fs), através de uma técnica de formatação de pulsos via absorção de dois fótons em compostos orgânicos. Está técnica utiliza uma estratégia evolucionária baseada em um algoritmo genético, onde se controla o formato do pulso pela deformação imposta a um espelho deformável, conjuntamente com o monitoramento de um sinal de realimentação. Desta forma, este sistema permite tanto a otimização do processo de absorção de dois fótons, quanto a otimização do próprio pulso do sistema laser. Após a montagem inicial do sistema de formatação de pulsos, foram implementados três métodos de otimização via monitoramento do processo de absorção de dois fótons, sendo que dois deles foram desenvolvidos nesta dissertação. Os métodos diferem entre si pelo emprego de distintos sinais de realimentação para o processo de otimização: (i) intensidade da fluorescência excitada por dois fótons; (ii) variação da transmitância não linear dos compostos orgânicos devido à absorção de dois fótons; e (iii) intensidade do efeito de lente térmica apresentada pelos compostos orgânicos após a absorção de dois fótons. Os três métodos de otimização apresentaram resultados similares e satisfatórios, aproximando a largura temporal do pulso ao final do processo de otimização da largura temporal dada pelo limite da transformada de Fourier, medidas através de técnicas de autocorrelação. Estes resultados apontam para a validade do uso dos métodos por nós desenvolvidos como alternativas para processos de otimização de pulsos ultracurtos. / In this work it is described the implementation of an ultrashort pulse optimization system (15 fs modelocked oscillator) that employs pulse shaping methods via two-photon absorption in organic materials. This technique uses an evolutionary strategy based on a Genetic Algorithm, where the pulse shape is controlled by a deformable mirror, while a feedback signal is monitored. In this way, this system allows both, the two-photon absorption process and pulse optimization. After the accomplishment of the pulse shaping system, we have implemented three distinct optimization methods via two-photon absorption monitoring, being two of them proposed in the present dissertation. These three methods differs from each other by the use of different feedback signals for the optimization process: (i) intensity of the two-photon excited fluorescence; (ii) nonlinear transmittance change in organic compounds due to the two-photon absorption; and (iii) intensity of the thermal lens effect. All optimization methods presented similar and satisfactory results, leading the ultrashort pulse, in the end of the optimization process, close to the Fourier transformed limit. In such cases, the pulse duration were determined through the autocorrelation technique. These results indicates that the new methods proposed here can be used as an alternative for both, pulse optimization and control of two-photon absorption process, specially for nonfluorescent samples.

O diagnóstico preciso das características morfológicas e metabólicas de um tecido e/ou órgão com a finalidade de identificar alterações patológicas, ou avaliar um determinado tratamento, é de grande importância nas áreas de biologia e medicina. Uma excelente alternativa para este diagnóstico, e que permite uma visualização com resolução celular, são imagens de microscopia óptica. Tradicionalmente, analisam-se as características celulares através de processos histológicos; contudo, mais recentemente essa mesma análise tornou-se possível em tecidos sem a necessidade deste preparo histológico. Fenômenos de óptica não-linear, como a fluorescência devido à absorção de dois fótons e a geração de segundo harmônico, são exemplos de processos que podem ser realizados sem preparo histológico com o objetivo de se obter imagens microscópicas em diferentes profundidades com resolução celular. Este projeto teve por objetivo desenvolver um microscópio óptico de varredura a laser baseado em processos ópticos não lineares, para adquirir imagens de tecidos e órgãos, nas condições in vitro, in vivo e ex vivo. O microscópio óptico montado é composto por: um laser de pulsos ultracurtos sintonizável (Ti:Safira), um sistema de varredura espacial (dois espelhos conectados a galvanômetros e conjugados por dois espelhos esféricos, para varredura lateral, e uma plataforma piezoelétrica para varredura axial), uma lente objetiva (20X, abertura numérica de 1,0, imersão em água e distância funcional de 2,0 mm) e um sistema de aquisição e controle. A resolução lateral obtida foi de (0,8±0,1) μm e axial de (4,4±1,5) μm, suficiente para a realização de imagens com resolução subcelular de tecidos biológicos. Imagens de fluorescência e por geração de segundo harmônico foram obtidas com sucesso a partir de tecido ex vivo de pele e fígado de rato, pele de porco e de membrana corioalantóica. Estas imagens revelaram aspectos tidos como relevantes na análise morfo-histopatológica – como estruturas nucleares e de membrana, e a presença de colágeno, e com vantagens como coleta de informação vinda de diferentes camadas do tecido. A montagem desse sistema apresenta potencial para contribuir em estudos em diagnóstico e tratamento de lesões sejam feitos de modo que, no futuro, essa análise resulte em diagnósticos mais precisos e tratamentos mais efetivos. / Accurate diagnosis of the morphological and metabolic conditions of a tissue and/or an organ is essential to define the presence of pathological changes, and to evaluate the response during a number of treatments. The use of optical techniques for biological tissue imaging is an excellent alternative for this purpose. Such techniques allow non-invasive diagnostic procedures, with cellular resolution, and usually provide almost instantaneous response. The use of nonlinear optical techniques such as fluorescence promoted by two-photon absorption is one example of optical technique in which we obtain images of living tissue with spatial resolution at cellular level. The purpose of this study is the assembly and characterization of a custom-made non-linear microscope. This microscope allows customized adjustment for in vitro, in vivo and ex vivo imaging of biological samples. The excitation is done using a tunable femtosecond Ti:Sapphire laser. Two galvanometer mirrors conjugated by two spherical mirrors are used for the lateral scan and for the axial scan a piezoeletric stage is utilized. The light is focused in tissue by an 20X objective lens, in water immersion, numerical aperture of 1.0, and working distance of 2.0 mm. The lateral resolution obtained was (0.8 ± 0.1) μm and (4.4 ± 1.5) μm for axial resolution, which is sufficient for images with sub-cellular resolution to be achieved in biological tissues. Fluorescence and second harmonic generation images were performed using epithelial and hepatic tissue. Those images revealed aspects considered relevant in morpho-histopathology – such as nuclear and citoplasm membrane structures, and the presence of collagen. By means of the microscope it is possible to have images in different depths of tissues with sub-cellular resolution. The assembly of such an equipment shall represent a potential contribution to diagnostics and lesion treatment fields, so that it may result in more precise detection of diseases and more effective treatments in the future.

A técnica de eco de fótons com luz temporalmente incoerente (EFLI) foi utilizada neste trabalho para a medida do tempo de relaxação transversal T2 do Iodeto de 3-3´-Dietiloxadicarbonocianina (DODCI) como função da temperatura. Nestes experimentos foi utilizado um laser de corante de banda larga, bombeado pelo 2&#176 harmônico de um laser de Nd+3 : YAG Q-switched. Este laser operou com os corantes Kiton Red 620 e rodamina 640, cujos máximos do espectro de emissão estão respectivamente em 598 e 610 nm. O tempo de relaxação T2, que é proporcional ao inverso da largura de linha homogênea, segue uma dependência funcional com a temperatura do tipo T-1,9. Encontramos o valor de T2 entre 0 e 30fs para &#955 = 598nm e entre 30 e 590fs para &#955 = 610nm, no intervalo de temperatura entre 300 e 60k. Os perfis das medidas de EFLI podem ser descritos por um modelo baseado num sistema quântico de dois níveis / The photon echo with incoherent light technique (EFLI) has been used in this work for the measurement of the transverse relaxation time T2 in 3-3´-Dietiloxadicarboncyanine Iodide (DODCI) as a function of the temperature. A broad-band dye laser, pumped by the second harmonic of a Q-switched Nd+3 : YAG laser, was used in this experiment. The laser used Kiton Red 620 and rodamine 640 dyes, whose maxima output power are respectively around 598 and 610nm. The relaxation time T2 , which is inversely proportional to the homogeneous linewidth, depends on the temperature according to a T-1,9 Law. We found the value of T2 ranging from 0 to 30fs at 598nm and from 30 to 590fs at 610nm in the temperature range between 300 and 60K. The EFLI profiles can be described by means of a two-level quantum system model

Espectros de absorção, fluorescência e excitação do íon Eu+3 em GdAlO3 na região do visível são mostrados neste trabalho. Todos os níveis 7Fj (j= 0, 1, 2 e 4) e 5Dj (j= 0 a 2) foram medidos e quase todas as transições do íon, na região do visível, foram identificadas nos espectros. A abertura dos níveis de energia verificada está de acordo com a simetria C5 do campo cristalino. Medidas de absorção polarizada foram feitas com o intuito de verificar a natureza das transições de dipolo e para determinar as representações irredutíveis dos níveis de energia 7F0, 7F1 e 5Dj (j= 0 a 2). Linhas da impureza Er+3 (não intencional) foram identificadas no espectro de absorção e sua presença no cristal foi verificada através dos valores conhecidos dos níveis de energia do íon Er+3 em GdAlO3 [III-4]. Além disso, medidas dos níveis de energia 7F2 do íon Eu+3 através da técnica espectroscópica não linear CARS, foram tentadas. Medidas preliminares destes níveis e dos níveis vibracionais do benzeno e da calcita são mostrados no final da dissertação. / Absorption, fluorescence and excitation of the Eu+3 íon in GdAlO3 in the visible region are presented in this work. All of the 7Fj (j= 0, 1, 2 and 4) and 5Dj (j= 0 to 2) energy levels were measured and almost all of the transitions in the visible region of the ion were seen in the spectra. The splitting of energy levels verified is according to the C5 symmetry of the crystal field. Polarized absorption techniques are used to check the nature of the dipole transitions and to determine the irreducible representations of the 7F0, 7F1 and 5Dj (j= 0 to 2) energy levels. Unintentional Er+3 impurities lines were identified in the absorption spectra and its presence in our crystal was checked through the known values of energy levels of GdAlO3:Er+3 [III-4]. Besides it we began to measure the 7F2 energy levels of them Eu+3 ion by using the nonlinear optical spectroscopy technique known as CARS firsts measurements of these energy levels and of the vibrational mode of benzene and calcite are shown in the end of the dissertation.

Nesta tese realizamos três trabalhos que envolvem diferentes aspectos da espectroscopia resolvida no tempo. No primeiro discutimos brevemente a teoria e as principais técnicas para a caracterização de pulsos curtos. Analisamos detalhamente uma destas técnicas e propusemos modi cações que possibilitaram o barateamento dos custos da montagem e, além disso, introduziram novas características que sanaram alguns problemas que a montagem original apresentava e que também possibilitaram uma melhor caracterização da própria técnica. Descrevemos cuidadosamente as condições que devem ser satisfeitas pela geometria dos feixes e pelos componentes da montagem para obter uma caracterização correta dos pulsos curtos. Também apresentamos o procedimento de calibração do sistema. Pulsos com diferentes tempos e funções de fase foram caracterizados e os resultados foram validados por testes de con abilidade da informação recuperada. O trabalho seguinte foi o estudo da dinâmica molecular em líquidos puros e em misturas através da técnica efeito Kerr óptico resolvido no tempo, que é uma técnica do tipo bombeio e prova não ressonante, usando um sistema laser Ti:Sa ra com pulsos de 170 fs, centrados em 800 nm. As moléculas estudadas foram o dissulfeto de carbono (CS2), benzeno (C6H6), alilbenzeno (C9H10) e o poliestireno (PS). A teoria necessária para descrever os resultados medidos foi desenvolvida no regime temporal. O modelo de Debye para a relaxação difusiva da anisotropia orientacional descreve a componente de tempos longa, acima de um picosegundo. Partindo do Hamiltoniano de interação, desenvolvemos a teoria da função resposta linear, chegando a uma expressão para a relaxação da polarizabilidade anisotrópica, necessária para descrever os tempos curtos (subpicosegundos). Além disso, a passagem para o regime espectral utilizando somente dados experimentais, ou seja, sem a necessidade de levar em conta modelos especí cos, também foi discutida. Os resultados mostram que os tempos difusivos tanto nos líquidos puros quanto nas misturas seguem a equação de Debye-Stokes-Einstein que prevê um aumento deste tempo para viscosidades maiores. Os tempos curtos são analisados em termos da componente não difusiva da resposta espectral associada à dinâmica molecular. As alterações do espectro foram quanti cadas e a explicação para as mudanças observadas foi dada em termos das con gurações estruturais de interação que levam a uma alteração do potencial intermolecular dentro do qual as moléculas executam movimentos libracionais. Por último, investigamos a questão do modelamento de pulsos de luz incoerente. Para isto trabalhamos com um laser de corante banda larga sem elemento de seleção espectral intracavidade. A técnica utilizada foi o espalhamento forçado de luz ao qual foi acoplado um modelador composto por uma grade, uma lente e uma máscara que alterava a função de fase espectral relativa entre os feixes formadores da grade transiente na amostra de interesse. Realizamos uma análise detalhada desta montagem e obtivemos expressões para ajustar os dados medidos. Os resultados mostram que a função de correlação pode ser alterada de forma especí ca através da escolha de determinadas funções de fase espectrais.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The most recent developments in the field of nonlinear optics (NLO) show that organic molecules with electron donating or accepting substituents at either ends of a long -conjugation could be promising candidates for integration into photonic devices or applications such 3D microfabrication, optical-limiting, photodynamic therapy, biological probes, etc. Linear and nonlinear optical measurements were carried out for two classes of organic molecules: chalcones and oxazoles. Second- and third-order nonlinear optical properties, namely the first molecular hyperpolarizability ( HRS) and the cross-section of two-photon absorption ( A2F ), respectively, were measured for eight chalcones and for six oxazoles dyes. The experimental values of HRS and A2F were achieved by using hyper-Rayleigh Scattering and Z-Scan techniques, respectively. HRS maximum values of 42 10-30 (esu) and 412 10-30 (esu), for chalcones and oxazoles compounds, respectively, have been obtained. The A2F maximum values of 42 GM and 85 GM for chalcones and oxazoles compounds, respectively, have been obtained. This study has identified the lower performance of chalcones compared to the oxazoles compounds for both NLO effects studied, probably due to the length difference in the -conjugation together with the different electron donor groups present in both compounds. Whenever possible, and in order to better understand the experimental results, quantum chemical calculations were performed employing density-functional theory using the Dalton and Gaussian software. / Os últimos avanços na área da óptica não linear (ONL) mostram que compostos orgânicos que possuem estruturas conjugadas e grupos doadores/aceitadores de elétrons, poderão ser meios materiais promissores na integração de dispositivos ou aplicações fotônicas, tais como: micro-fabricação tridimensional, limitação óptica, marcadores biológicos, fototerapia dinâmica, entre outras. Nesta tese foi realizada a caracterização óptica linear e não linear de duas classes de moléculas orgânicas: chalconas e corantes de oxazóis. Foram estudados os efeitos ópticos não lineares de segunda e terceira ordem, nomeadamente a primeira hiperpolarizabilidade molecular ( HRS) e a seção de choque da absorção de dois fótons ( A2F ), respectivamente, para oito compostos do tipo chalconas e seis compostos do tipo corantes de oxazóis. Os valores experimentais de HRS e A2F foram determinados experimentalmente através do espalhamento de hyper-Rayleigh e da técnica de varredura- Z, respectivamente. Os valores máximos encontrados para HRS foram de 42 10-30 (esu) e 412 10-30 (esu) para os compostos do tipo chalconas e oxazóis, respectivamente. Os valores máximos obtidos para A2F foram de 42 GM e 86 GM para os compostos do tipo chalconas e oxazóis, respectivamente. Estes resultados mostram um menor desempenho dos compostos do tipo chalconas em relação aos oxazóis em ambos os efeitos de ONL estudados, provavelmente devido às diferentes assimetrias de distribuição de carga entre as estruturas, bem como da diferente extensão das estruturas conjugadas. Sempre que foi possível, e com o intuito de interpretar melhor os resultados experimentais, foram realizados cálculos químico-quânticos empregando a teoria do funcional de densidade, através dos programas de simulação computacional Dalton e Gaussian 09.

Este trabalho visou o estudo da resposta óptica não-linear de cristais líquidos liotrópicos nas fases isotrópicas e nemática calamítica e nas vizinhanças das transições de fase nemática calamítica isotrópica e nemática calamítica nemática biaxial. Para este estudo foi utilizada, fundamentalmente, a técnica de varredura Z. Os resultados obtidos indicam que o efeito não-linear em cristais líquidos liotrópicos esta ligado à presença de micelas na mistura e que a anisometria de micela tem influencia na resposta observada. Foi observado ainda que a presença de ferrofluido na mistura, mesmo em pequenas quantidades, causa um grande aumento na absorção óptica da amostra e consequentemente da resposta não-linear. O comportamento do índice de refração não-linear (n IND.2) em função da temperatura nas vizinhanças da transição da fase nemática calamítica para nemática biaxial apresenta um crescimento expressivo de (n IND.2). Nas vizinhanças da transição nemática calamítica para isotrópica esse efeito não foi observado. / This work has been focused on the study of the optical nonlinear response of lyotropic liquid crystals in the isotropic and nematic calamitic phases and in the neighborhood of the nematic calamitic isotropic and nematic calamitic nematic biaxial phase transitions. The basic technique we used is Z-scan. The results obtained indicated that the nonlinear effect in lyotropic liquid crystals is related to the presence of micelles in the mixture and the micelle anisotropy has influence on the observed response. Is has also been observed that the presence of ferrofluid in the mixture, even in small quantities, causes a large raise in the sample optical absorption and consequently in the nonlinear response. The behavior of the nonlinear refractive index (n IND.2) as function of temperature in the neighborhood of the nematic calamitic to nematic biaxial phase transition shows as expressive n IND.2 raise. This behavior has not been observed in the neighborhood of the nematic calamitic to isotropic phase transition.