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.

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Desde o desenvolvimento dos primeiros métodos de controle do movimento e posição de partículas usando lasers, ainda no início da década de 1970, até o reconhecimento com o prêmio Nobel de Física de 2018, uma das principais e mais versáteis ferramentas de manipulação óptica, as chamadas pinças ópticas, têm sido usadas majoritariamente para explorar objetos em dois regimes de tamanho: o limite das partículas sub-nanométricas (átomos e moléculas simples) e o limite das partículas micrométricas (com aplicações especialmente em sistemas biológicos). Nesse trabalho, foi desenvolvido e construído um aparato experimental para aprisionar micro e nanopartículas numa pinça óptica, que pode ser controlada de forma dinâmica usando modulação acusto-óptica do feixe de aprisionamento. A calibração da pinça óptica foi feita por diversos métodos, incluindo o método de equipartição de energia e análise do potencial óptico, resultando em forças de aprisionamento da ordem de piconewtons por micrometros. Ademais, simulações computacionais de modelos estocásticos foram realizadas com o intuito de comparar os resultados experimentais com àqueles previstos teoricamente e guiar estudos futuros. / Since the development of early methods for controlling the motion and position of particles using lasers, in the 1970s, to the recognition with the 2018 Nobel Prize for Physics, one of the most versatile optical manipulation tools, the so-called optical tweezers, have been used mostly to explore objects in two limits of sizes: the sub nanometric particles (atoms and simple molecules) and the micrometric particles (with applications especially in biological systems). In this work, an experimental apparatus was developed and built to trap micro and nanoparticles in an optical tweezer that can be dynamically controlled, using acoustic-optical modulation of the trapping beam. The calibration of the optical tweezer was done using several methods, including the energy equipartition method and optical potential analysis, resulting in trapping forces on the order of piconewtons per micrometers. In addition, computational simulations of stochastic models were performed with the purpose of comparing the experimental results with those predicted theoretically and guiding future studies.

El propósito de este trabajo es describir un modelo físico del proceso de formación de imágenes en los telescopios astronómicos dotados de sistemas de óptica adaptativa para compensar los efectos de la turbulencia atmosférica. El análisis se centra en los sistemas de compensación parcial, aunque gran parte de los resultados son aplicables a todos los sistemas. En primer lugar, se desarrolla un modelo para la estadística del frente de onda corregido. Esta estadística está completamente determinada por la función de estructura; por tanto, se analiza esta función y se introducen y calculan los conceptos de longitud de correlación y de parámetro generalizado de Fried. Además se obtienen aproximaciones de la función de estructura, de la función de transferencia óptica y de la función imagen de un punto.A partir del modelo de la estadística del frente de onda, se generaliza el modelo de formación de imágenes de Goodman al caso de corrección parcial. Se describe la estadística de la intensidad luminosa en el plano imagen; la distribución exacta se aproxima por la distribución de Rice, debido a la analogía física entre el caso de compensación parcial y la suma de un fondo coherente más un patrón de speckle (p.ej. holografía). La estadística de fotones se obtiene como la transformada de Poisson de la distribución de la intensidad. Este modelo de formación de imágenes se utiliza para desarrollar dos aplicaciones. En la primera, se halla la varianza residual real de la fase, lo que permite calibrar los sistemas de óptica adaptativa cuando las fuentes de error son importantes. En la segunda, se analizan diversas técnicas de detección de exoplanetas. Finalmente los resultados teóricos se comparan con valores simulados y con datos experimentales, obtenidos utilizando un montaje experimental que se ha desarrollado para generar frentes de onda parcialmente compensados. El modulador de fase es una pantalla de cristal líquido extraída de un proyector de video comercial. El dispositivo se ha calibrado y se han estudiado sus limitaciones. Se concluye que las predicciones teóricas coinciden con exactitud con los datos simulados y experimentales. / The aim of this work is to describe a physical model of the image formation process in astronomical telescopes that use adaptive optics systems to compensate atmospheric turbulence. The analysis is focused on partially compensating systems, though a lot of the results are applicable to all the systems. First, a model of the corrected wavefront statistics has been developed. The statistics is completely determined by the structure function. This last function has been analyzed, and the concepts of correlation length and of Fried generalized parameter have been introduced and calculated. Furthermore, approximated expressions for the structure function, the optical transfer function and the point spread function have been derived. Using the wavefront model, the Goodman imaging model has been generalized to the partial compensation case. The light intensity statistics at the image plane in partial compensation has been described; the exact intensity distribution has been approximated by a modified Rician distribution, because of the physical analogy between the partial compensation case and the addition of a coherent background and a speckle pattern (e.g. holography). The photon statistics is obtained as the Poisson transform of the intensity distribution. The imaging model is used in the development of some practical applications. First, the residual phase variance in actual compensated wavefronts is obtained, which allows the calibration of the AO systems. Second, several methods to search for exoplanets are analyzed. Finally, theoretical results are compared with simulated data and with experimental values, obtained from an experimental setting that we have developed to generate partially compensated wavefronts. The phase modulator is a lyquid crystal display that has been extracted from a commercial video projector. The display has been calibrated and its performance limits have been studied. Theoretical predictions fit well both with simulated and experimental data.

Definir los parámetros de polarización de la luz procedente de una muestra aporta una mayor información sobre las propiedades de ésta que la simple medida de la intensidad luminosa difundida. Cuando un haz luminoso sufre una perturbación debida a cualquier interacción con un medio, los campos electromagnéticos del haz incidente y el del haz emergente, expresados en términos de los parámetros de Stokes, pueden ser relacionados mediante la denominada matriz de Mueller. En este aspecto, el conocer la evolución de los parámetros de dicha matriz del sistema, nos permitiría definir cómo se comporta éste frente a la luz incidente. Para tal objetivo, se ha puesto a punto un polarímetro dinámico basado en técnicas de Transformada de Fourier, que permite determinar con una sola medida los 16 elementos de la matriz de Mueller. Ésta nos mostrará los cambios sufridos por la polarización del haz incidente debido a su interacción con una muestra problema.Aplicando el método de Descomposición Polar, se puede ver que cualquier sistema puro, con matriz de Mueller M, responde a la siguiente relación: M=R*D, donde R y D simbolizan las matrices de Mueller de un medio Retardador ideal y de un medio Diatenuador ideal, respectivamente. En una versión extendida de éste teorema, teniendo en cuenta que no todos los medios son ideales, sino que hay medios en los que aparecen efectos de despolarización, la descomposición de la matriz de Mueller daría lugar a: M=Z*R*D, tomando Z como la matriz de Mueller de un sistema despolarizante. De esta forma, utilizando algebra matricial, podemos descomponer la matriz de un sistema problema, en matrices de menor complejidad, con un estricto sentido físico.Partiendo de éstos resultados teóricos, y por medio del uso del polarímetro dinámico para la caracterización polarimétrica de los sistemas, se han analizado muestras de diversos tipos: superficies planas microestructuradas, para evaluar el efecto de la composición, tamaño e interacción; suspensiones de micropartículas y nanopartículas en coloide, para caracterizar su tamaño y composición; y sustancias quirales en medios turbios (en éste aspecto, recientemente ha sido demostrada la validez de éste método para el análisis in situ de tejidos biológicos). Asimismo, se han caracterizado componentes ópticos y polarimétricos por transmisión y reflexión, demostrando la validez del método. Finalmente se han llevado a cabo simulaciones computacionales a fin de estudiar patrones de comportamiento en sistemas complejos por medio del método de Descomposición Polar. / Polarization parameters of light scattered from a sample give more information about its properties than the light scattering intensity measurement. When a light beam interacts with an object or a medium, the electromagnetic fields of the incident and the emerging beam, both expressed in terms of Stokes parameters, can be related by the so-called Mueller matrix. In this respect, the matrix elements are associated to the physical system and define its behaviour. For the analysis of real systems, Mueller matrix must be experimentally obtained. For this purpose, a dynamic polarimeter (DRCP or Dual Rotating Compensator Polarimeter) based on Fourier Transform techniques has been developed, which allow us to determine the 16 elements of the Mueller matrix in a single cycle of measurements.Applying an algebraic tool, as the Polar Decomposition method (PD), we can see that any Mueller matrix corresponding to a pure system satisfies: M = R * D, where R and D are the Mueller matrices of an ideal Retarder and a Diattenuator, respectively. In an extended version of PD, taking into account that not all matrices are ideal, but there are systems in which depolarization effects occur, the decomposition of the Mueller matrix would lead to: M = Z * R * D, with Z representing the depolarization. Thus, using matrix algebra, we can decompose the matrix of a system, in a product of matrices with a strict physical sense.Based on these theoretical results and by using a polarimetric characterization of systems (through PDRC measurements), we have analyzed samples of different types: flat microstructured surfaces to evaluate the effect of the composition, size and interaction; suspensions of microparticles or nanoparticles to characterize their size and composition; chiral substances in turbid media (in this aspect has recently been demonstrated the validity of this method for the analysis of biological tissues "in situ"); characterization and study of polarimetric optics in transmission and reflection, demonstrating the validity of the method. Finally, we have carried out computer simulations to explore patterns in complex systems using PD.

La presente tesis se enmarca en el ámbito de la óptica virtual.Como objetivo general, se busca optimizar los procesos involucrados en la transmisión de datos codificados en un canal de información clásico. Esto se refiere al proceso de encriptación aplicado a la información enviada, al proceso de desencriptación aplicado a la información codificada recibida y al proceso de transmisión de datos codificados por un canal de comunicación. Para cumplir esta tarea, el desarrollo de sistemas ópticos virtuales de encriptación permitirá “experimentar” y generar variaciones optimizadas de las técnicas conocidas de seguridad óptica. Esto conduce a la implementación digital de sistemas ópticos analógicos y asegurar su buen funcionamiento ejecutando los procesos concernientes a la validación de los modelos matemáticos computacionales [1.25]. Esto último implica verificar los resultados arrojados por el sistema óptico virtual comparando con resultados de algunas experiencias analógicas conocidas. Se espera de manera general que los resultados obtenidos aporten significativamente al área de la encriptación óptica perfeccionando la operatividad de los procesos ópticos aplicados en la protección de los datos.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissRLR.pdf: 1879706 bytes, checksum: 7429ed68f36eaaee955f0556239e63cc (MD5) Previous issue date: 2004-04-30 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this work we consider the problem of a three-level trapped ion inside a high- Q cavity. We study the process of phonon-foton-matter interaction mediated by a classical field. We are particularly interested in the engineering process of two excitation changes, phonons and/or photons, which result in squeezing of the cavity mode and/or the vibrational field. The adiabatic aproximation is employed to obtain simplified effective Hamiltonians. / Nesta dissertação abordamos o problema de um íon de três níveis armadilhado e inserido em uma cavidade com alto fator de qualidade. Desejamos estudar o processo de interação fônon-fóton-matéria, mediado por um campo clássico. Em particular, estaremos interessados na engenharia do processo de troca de duas excitações, fônon e/ou fóton, que resultam na compressão do modo da cavidade e/ou do modo de vibração do íon. Empregaremos a técnica de aproximação adiabática para a obtenção de Hamiltonianos efetivos simplificados.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissACY.pdf: 1059423 bytes, checksum: 06c9e691f5fa526afdc67a6b90fe179a (MD5) Previous issue date: 2004-08-12 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this dissertation, we present a generalized master equation for a system of N two- level atoms pumped by a classical field, interacting with a reservoir. The kinds of reservoirs are assumed: (a) thermal, (b) squeezed vacuum. A master equation for the system was derived under Born and Markov approximations. The mean ¯eld approximation is done for the many-body system, so we obtain a non-linear master equation for a representative atom of the system . We discuss the optical bistable behavior of the output field, and analyze how much this phenomenon is sensitive to the number of atoms, the atom-reservoir coupling and to the parameters of de reservoir. / Nesta dissertação, apresentamos uma equação mestra generalizada para um sistema constituído de N átomos de dois níveis bombeados por um campo clássico, interagindo com um reservatório. O tipo do reservatório pode ser: (a) térmico, (b) vácuo comprimido. Uma equação mestra foi deduzida, para o sistema, nas aproximações de Born e Markov. A aproximação de campo médio é feita para o sistema de muitos corpos, desta maneira obtemos uma equação mestra não linear para um átomo representativo do sistema. Discutimos o comportamento ópitico biestável do campo de saída, e analisamos o quanto este fenômeno é sensível ao número de átomos, ao tipo de acoplamento átomo-reservatório e aos parámentros do reservatório.

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).

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.