Apresentamos neste trabalho o procedimento de engenharia de dispersão em chips fotônicos compatíveis com tecnologia CMOS para conversão de frequências na escala de centenas de Terahertz em micro-ressoadores. Esses sistemas apresentam grande potencial para geração integrada de luz com propriedades não-clássicas para uso em ciência de informação quântica. Este é o primeiro trabalho que utiliza a dispersão dos modos transversos elétrico ou magnético de ordem-superiores para obter o comprimento de onda do zero de dispersão da velocidade de grupo em 795 nm. Demonstramos que, com um delicado balanço entre os termos de dispersão de segunda- e quarta-ordem, geramos dois feixes intensos que podem compartilhar informação quântica entre linhas atômicas e a banda de telecomunicação. / We present in this work the proceedings of dispersion engineering in CMOS compatible photonic chips for frequency conversion in the scale of hundreds of Terahertz in microresonators. These systems present great potential for integrated light generation with non-classical properties for use in quantum information science. This is the first work to use higher-order modes to obtain the zero dispersion wavelength close to 795 nm. We show that with a delicate balance between second- and fourth-order dispersion terms, two intense beams are generated that can possibly share quantum information between atomic lines and telecommunication band.

Neste trabalho estudamos as propriedades ópticas não lineares de aminoácidos utilizando pulsos de laser com duração de femtossegundos. O índice de refração não linear (n2) da L-alanina, L-prolina, L-serina, L-treonina e L-arginina em solução aquosa foram determinados. Foi também estudada a influência do pH na magnitude de n2 dos aminoácidos em solução. Paralelamente, determinamos a dispersão de n2 em cristais de L-treonina nos três eixos principais, x, y e z. Os aminoácidos têm despertado grande interesse devido as suas boas propriedades ópticas de segunda ordem. Todavia, suas propriedades ópticas de terceira ordem ainda não haviam sido estabelecidas. Além disso, implementamos a técnica de espalhamento hiper-Rayleigh para determinar a primeira hiperpolarizabilidade (P) de moléculas orgânicas, onde uma mudança foi introduzida para permitir medidas mais rápidas e com melhor precisão. Foram encontrados os valores de P de algumas porfirinas e corantes orgânicos. / In this work we have studied nonlinear optical properties of amino acids using femtosecond laser pulses. The nonlinear index of refraction (nz) of L-alanine, L-proline, L-serine, L-threonine and L-arginine in aqueous solution have been determined. Also, the influence of pH in the magnitude of nz of amino acids in solution has been studied. Besides, we have determined the n;, dispersion in the three main axis, x, y and z, in L-threonine crystals. The amino acids have attracted a great deal of attention due to their good second-order optical properties. However, their third-order optical properties had not been established yet. Furthermore, we have implemented the hyper-Rayleigh scattering technique to determine the first hyperpolarizability (P) of organic molecules, leading to fast and more precise measurements. It was found the P value of some porphyrins and organic dyes.

Neste trabalho nós crescemos e caracterizamos oticamente cristais de L-treonina e L-lisina-HCl. Esses materiais pertencem a uma família de cristais orgânicos que tem demonstrado potencial para uso como dispositivos ópticos não lineares. Os cristais foram crescidos em solução aquosa pelos métodos de evaporação lenta do solvente e abaixamento controlado da temperatura. Realizamos medidas de óptica linear, índices de refração e a absorção óptica, e de óptica não linear, a geração de segundo harmônico (GSH). Essa nova classe de materiais não linear é de fácil crescimento e apresentam uma boa qualidade óptica e propriedades não lineares comparáveis as dos cristais de KDP. / In this work we grew and optically characterized L-threonine and L-lysine-HCL crystals. These materials belong to a family of organic crystals that have a potential application in nonlinear optical devices. The crystals were grown in aqueous solution by slow solvent evaporation and controlled cooling techniques. We characterized the linear and nonlinear optical properties of these materials, for exarnple, the index of refi-action, optical absorption and second harmonic generation (SHG). This new class of nonlinear medium is easy to grow and present good optical quality and nonlinear properties comparable to KDP crystals.

Vitro-cerâmicas com propriedades ópticas não lineares tem despertado muito interesse em função do baixo custo, facilidade de manufatura e potencialidade de aplicações tecnológicas quando comparado aos monocristais. Vitro-cerâmica para aplicações em óptica não linear tem sido produzidas pela ceramização de vidros. Neste trabalho sintetizamos vidros dos sistemas oxifluoreto 40BaF2.(24-x)LiF.(36-x)NbO2.5.xLiNbO3 (% molar, 0<x<20), e borato de bário xB2O3.(100-x)BaO (% molar, 50<x<68) pelo método convencional de fusão e resfriamento. Posteriormente as amostras sofreram tratamento térmico para provocar uma cristalização controlada. O vidro de oxifluoreto de composição x=10 tem temperatura de fusão em torno de 550°C, e temperaturas características de transição vítrea (Tg), início de cristalização (Tx) e pico de cristalização (Tp) de 263, 355 e 368°C respectivamente. Essa amostra foi tratada termicamente a 290°C por tempos de 12, 24, 36 e 50 horas apresentando mecanismo de cristalização do tipo volumétrico. A evolução da fração cristalizada foi analisada por difratometria de raios-X e absorção no espectro infravermelho e radiação visível. A análise por difração de raios-X não indicou a presença de cristais com propriedades ópticas não lineares como LiNbO3 (LNB). Amostras vítreas do tipo borato de bário tem características ópticas excelentes e razoavelmente estáveis quanto a devitrifição, a ponto de permitir a manufatura de peças de 75 x 75 x 5mm de dimensão (60B2O3 - 40BaO). As temperaturas características para a amostra de composição 57B2O3-43BaO foram: Tg=570°C, Tc= 671°C, Tp = 685°C (± 2°C). As amostras tratadas termicamente a 610 e 620°C apresentaram mecanismo de cristalização do tipo superficial, tendo os filmes cristalinos espessuras de 110 e 220 m. O filme cristalino resultado da cristalização superficial foi caracterizado por difratometria de raios-X e identificado como -BaB2O4 (BBO). A vitro-cerâmica apresentou o fenômeno de geração de segundo harmônio (GSH) quando incidido sobre esta um feixe laser (Nd:YAG) de 1064nm de comprimento de onda e 1.1W de potência. A intensidade do sinal de GSH foi comparada ao sinal de uma lâmina de LiNbO3 monocristalino, de 1.6mm de espessura e cortado na direção z. A vitro-cerâmica apresentou um sinal de intensidade 12,5% da apresentada pela lâmina de LiNbO3. / We synthesized glasses of the oxyfluoride system 40BaF2(24-x)LiF.(36-x)NbO2.5.xLiNbO3 (% mol, 0<x<20) and the barium borate system xB2O3.(100-x)BaO (% moI, 50<x<68) by the conventional melting-quenching method. The samples obtained were thermally treated to provide a controlled crystallization. Among the oxyfluoride glasses, the sample with x=l0mol% showed the best properties. It melts at 550°C, and presents a characteristic temperature of glass transition at 263°C, a temperature of crystallization starting at 355°C and a peak of crystallization at 368°C. It was thermally treated at 290°C for 12, 24, 36 and 50 hours, and exhibited volumetric crystallization as verified under the optical microscope or even at naked eye. The evolution of the crystallization process in this sample was studied by X-ray diffractometry and IR-VIS spectroscopy. However, not any additional phase found was identified as LiNbO3. Among the barium borate glasses, the sample with x=57 mol% showed the best properties. It melts at 904°C, and presents a characteristic temperature of glass transition at 570°C, a temperature of crystallization starting at 671°C and a peak of crystallization at 685 ± 2°C. It was thermally treated at 610 and 620°C, and exhibited surface crystallization by forming layers of crystals with 110 and 220 microns of thickness, respectively. The crystals composition contained in these layers was identified as -Ba2BO4 by X-ray diffractometry. This sample showed second harmonic generation (SHG) when excited by a laser of wavelength of 1064 nm (Nd:YAG) and power of 1.1W. The intensity of the SHG signal detected in such a sample was 12.5% of the full SHG intensity observed from a standard plate of LiNb03 (thickness of 1.6 mm).

Em conseqüência do aumento da demanda de gás e petróleo no mercado nacional e internacional, as especificações e certificações dos resultados de analises químicas de tubos para gasodutos e oleodutos têm se tornados cada vez mais exigentes. Um contínuo desenvolvimento tem sido realizado para a melhoria de aços microligados da classe API (American Petroleum Institute). As propriedades do aço dependem do controle da composição química e parâmetros de processo durante sua fabricação. Neste trabalho, foi realizada comparação das incertezas de medição entre as técnicas de espectrometria de fluorescência de raios X por comprimento de onda (WDXRF) e de emissão óptica com fonte de arco voltaico (OES-spark) nas análises de acompanhamento de processo na produção de aços classe API. Usualmente, este tipo de análise requer menos de 40 segundos para completa caracterização química para ajuste nos parâmetros de processo de produção. As principais fontes de influência nas análises químicas foram avaliadas por planejamento de experimentos. Os elementos constituintes e traço como Al, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Nb, Mo e Sn foram determinados utilizando as metodologias normalizadas pela ASTM E-322, E-415, E-1009 e E-1085. Os materiais de referência certificados 185A e 187A da CMI (Czech Metrology Institute) foram utilizados para avaliação dos métodos. As incertezas das medições de resultados e a validação com relação a repetitividade e reprodutibilidade das medições foram obtidas conforme os testes estatísticos, recomendados pela norma ISO/IEC 17025. A incerteza de medição para cada elemento é discutida para ambas as técnicas. / The increase of gas and petroleum demanding in the national and international markets, the specification and certification of the chemical analysis results of gas and oil pipe-line have became more and more challenging. A continuous development has been outlined to improve API grade alloy steels (American Petroleum Institute). The steel properties depend on the chemical composition control and process parameters during its manufacturing. In this work, a comparison of the measurement uncertainty between X-ray fluorescence (WD system) and Optical Emission (OES-spark) spectrometries, for API grade steel plant samples analysis, was outlined. Usually, this kind of analyze requires less than 40 seconds for full chemical characterization for adjustment in the process parameters production. The main influence source in the chemical analysis was evaluated for design of experiments. The constituents and trace elements such as Al, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Nb, Mo and Sn were determined using the ASTM E-322, E-415, E-1009 and E-1085 standard methodologies. The 185A and 187A certified reference materials from CMI (Czech Metrology Institute) were used for evaluation of the methods. The uncertainty of the measurement, precision, accuracy, repeatability and reproducibility of the measurements were obtained applying statistic tests, recommended by ISO/IEC 17025. The uncertainty of measurement for each element is discussed for both techniques.

Esta tese apresenta um estudo teórico da aplicação de moduladores eletroópticos em enlaces analógicos a fibra óptica, empregando a técnica de modulação de intensidade e detecção direta. A modulação de intensidade é obtida através do modulador eletroóptico de tipo Mach-Zehnder, sendo o enlace empregado para a transmissão de sinais de RF. Foram abordados inicialmente os fundamentos da propagação de onda em meios anisotrópicos e do efeito eletroóptico, necessários ao entendimento do processo de modulação eletroóptica. Os moduladores de fase de parâmetros concentrados e de parâmetros distribuídos foram apresentados. Abordou-se também o modulador eletroóptico tipo Mach-Zehnder, onde expressões que descrevem as componentes espectrais do campo elétrico do sinal óptico de saída do modulador, bem como da intensidade óptica, foram deduzidas com base nas tensões de polarização aplicadas aos eletrodos do modulador, além da amplitude e defasagem entre os sinais de RF modulante. Dois casos particulares de modulação foram estudados: a modulação em banda lateral dupla e a modulação em banda lateral única. O desempenho do enlace foi analisado em função do ganho de potência, da figura de ruído e da faixa dinâmica, sendo estes parâmetros estimados com base nas características individuais dos diversos componentes que constituem o enlace, em condições de operação típicas. Os efeitos que a dispersão ocorrida no enlace produzem no sinal de RF de saída foram abordados para os dois tipos de modulação de intensidade analisados. Aplicações desta técnica de transmissão de sinais de RF foram apresentadas como forma de ressaltar o potencial de emprego deste sistema em situações em que as linhas de transmissão convencionais não atendem aos requisitos de desempenho impostos. Finalmente foram apresentadas as conclusões obtidas ao longo do desenvolvimento desta tese, bem como algumas sugestões de continuidade dos trabalhos nesta linha de pesquisa.

O desafio que incentivou a elaboração desta tese de mestrado foi a necessidade de se expandir a faixa dinâmica de giroscópios a fibra óptica operando em malha aberta. Como ocorre em todo interferômetro, o sinal óptico de saída desse sensor é proporcional ao cosseno da diferença de fase total experimentada por dois feixes de luz que se interferem. Uma modulação de fase óptica não-recíproca normalmente é adicionada de sorte que, após um processamento de sinal adequado, obtenha-se um sinal elétrico proporcional à taxa de rotação (em módulo e em sentido). Este trabalho propõe uma nova técnica de tratamento de sinal, baseada em uma modulação de fase óptica não-recíproca utilizando como sinal modulante a soma de dois sinais senoidais de freqüências de razão 3:1, e em um processamento adequado do sinal óptico de saída, de modo que seja possível percorrer franjas de interferência sem que se incorra em ambigüidades, e ainda preserve a sua resolução em toda a faixa de medidas. A expansão da faixa dinâmica fica limitada apenas pelo comprimento de coerência da fonte de luz utilizada. Pelo fato de se utilizar dois sinais senoidais com freqüências próximas para modular a luz do interferômetro, é possível utilizar-se o tradicional modulador de fase a PZT. Resultados interessantes também surgem quando se procura utilizar a soma de duas ondas quadradas na modulação, sendo necessário neste caso dispor de um modulador eletro-óptico. Foram realizadas análises teóricas, simulações e medidas experimentais a fim de verificar a validade desta nova técnica proposta e os resultados foram bastante satisfatórios, tendo sido possível, num primeiro ensaio, expandir o fundo de escala de um determinado giroscópio a fibra óptica de 10/s para mais de 2000/s.

A distorção em moduladores eletroópticos integrados, amplamente utilizados em enlaces ópticos, é analisada em termos da faixa dinâmica livre de distorção (Spurious Free Dynamic Range-SFDR), especialmente a causada pela intermodulação de terceira ordem. As características de transmissão de vários tipos de moduladores eletroópticos integrados são apresentadas por meio de modelagens adequadas para uma análise comparativa de suas SFDR. Os seguintes tipos de moduladores são estudados: modulador com cavidade em anel (Ring Resonator Modulator - RRM), modulador Mach-Zehnder com cavidade em anel (Ring Resonator Assisted Mach-Zehnder Modulator - RAMZ), modulador com acoplador direcional, modulador com junção "Y" e o modulador Mach-Zehnder (MZM). Para cada modulador, calculam-se as distorções por intermodulações, especialmente as de terceira ordem, as distorções harmônicas, bem como a composição espectral do sinal na saída de cada modulador. Em outras palavras, os parâmetros ópticos, eletrônicos e geométricos, de cada modulador, são selecionados de forma a evidenciar as não-linearidades de suas características de transmissão. Por exemplo, a análise desenvolvida revela que no caso dos moduladores como o acoplador direcional e junção "Y", uma seleção adequada do comprimento de interação e do espaçamento entre os guias de onda, em combinação com a escolha adequada da voltagem de polarização propicia SFDR da ordem de 126.7dB - Hz4/5 e 125.6dB - Hz4/5 , respectivamente. Com respeito aos moduladores com cavidade em anel e Mach-Zehnder e com cavidade em anel, selecionando-se o coeficiente de acoplamento entre o guia de onda óptico e a cavidade e a voltagem de polarização, obtém-se SFDR da ordem de 126.3dB - Hz4/5 e 128dB - Hz4/5 , respectivamente. Uma vez que a faixa dinâmica do MZM operando em quadratura é igual a 108.6dB - Hz2/3, conclui-se que alguns dos moduladores eletroópticos analisados proporcionam SFDR com 17 dB a 19.4 dB superior à do MZM.

Esta dissertação apresenta um estudo e caracterização da transmissão de sinais analógicos de radiofrequência por meio de fibras ópticas empregando dois tipos de modulação: direta e externa. Na análise desenvolvida para modulação direta é considerado um diodo laser DFB como fonte de modulação, enquanto que para enlaces envolvendo modulação externa, considera-se um modelo composto por um modulador eletro-óptico de tipo Mach-Zehnder com substrato de LiNbO3. Em ambos os casos se aplica a técnica de modulação de intensidade e detecção direta. Fundamentos básicos acerca dos dispositivos ópticos empregados e modulação eletro-óptica são abordados nos capítulos iniciais para conceituação básica sobre o assunto. Em seguida é considerado um estudo analítico dos parâmetros essenciais para caracterização de enlaces ópticos analógicos, os quais compreendem ganho de potência, figura de ruído e faixa dinâmica. Na modelagem das figuras de mérito são considerados parâmetros intrínsecos de elementos do sistema, de forma a permitir uma observação direta de sua influência no comportamento funcional de um enlace. Testes experimentais envolvendo diferentes arquiteturas de enlaces com modulação externa são realizados para verificação e validação do modelo teórico apresentado. Para a aplicação de sinais analógicos de RF com freqüências próximas a 1 GHz foi obtido um valor de faixa dinâmica livre de distorções de 103,6 dB.Hz2/3, para uma potência óptica de 19 mW. Valores de ganho de potência da ordem de -33 dB até +20 dB foram alcançados para as diferentes configurações de enlaces apresentados. A figura de ruído medida para os enlaces variou de 46 dB a 5,8 dB. Em todas as medidas o modulador foi ajustado para operação na região de quadratura.

Processos que envolvem ablação a laser de alvo metálico tem sido foco de estudos atuais devido ao interesse em aplicações como propulsão a laser e devido ao interesse das agências de pesquisa na área de energia como o IPEN - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. O presente trabalho tem por objetivo calcular propriedades como temperatura de excitação e população dos níveis excitados de uma pluma de plasma gerada por ablação a laser de alvo metálico, mais especificamente, determinar parâmetros do plasma gerado por ablação de um alvo de molibdênio no estado sólido usando um laser de Nd:YAG. Assim, este trabalho se torna parte de um projeto cuja intenção é realizar a separação isotópica do molibdênio, produzindo o isótopo 99Mo para aplicações em diagnósticos médicos. Através dos estudos realizados foi possível alcançar um entendimento sobre a formação da pluma de plasma de molibdênio. O perfil de profundidade permite entender a composição da pluma no que diz respeito à proporção entre átomos neutros e ionizados. Assim, foram feitas comparações dos espectros de emissão experimentais com espectros sintéticos - construídos baseados em dados da literatura, determinando-se a temperatura de excitação do plasma de molibdênio. Além disso, os dados foram corroborados através dos cálculos realizados por meio de métodos gráficos como de Boltzmann e Saha-Boltzmann. Finalmente, puderam-se quantificar as populações relativas dos estados eletrônicos excitados.