The research developed in the framework of this PhD thesis is a theoretical, numerical and experimental study of light beam shaping (spatial filtering, beam collimation and focusing) in the visible frequency range using photonic crystal structures. Photonic crystals (PhCs) are materials with periodic, spatially modulated refractive index on the wavelength scale. They are primarily known for their chromatic dispersion properties. However, they can also modify the spatial dispersion, which allows managing the spatial properties of the monochromatic light beams. In the first part of my thesis we experimentally show that particular spatial dispersion modification in PhCs can lead to spatial (angular) filtering of light beams. The study is focused on the spatial filtering efficiency improvement by introducing chirp (the variation of longitudinal period of the structure) in the crystal structure. Additionally, to enhance the effect, we consider different geometries and materials. The work presented in this PhD thesis brings closer to reality the creation of a new generation spatial filters for micro-photonic circuits and micro-devices. The second part of the study is devoted to the theoretical, numerical and experimental analysis of the formation of negative spatial dispersion in PhCs, which gives rise to collimation and focusing effects behind the PhCs. The ideas developed in my PhD also work in lossy systems, in particular in metallic PhCs. The simulation results for metallic PhCs are presented, in which both effects- spatial filtering and beam focusing, are shown. / La recerca desenvolupada en el marc d'aquesta tesi doctoral és un estudi teòric, numèric i experimental de la modificació de la forma de feixos de llum (filtratge espacial, col·limació i focalització) en el rang visible de freqüències utilitzant estructures de cristall fotònic. Els cristalls fotònics (CFs) són materials amb una modulació periòdica de l'índex de refracció en l'escala de la longitud d'ona, i són principalment coneguts per les seves propietats relacionades amb la dispersió temporal. Tot i això, la dispersió espacial també pot ser modificada mitjançant CFs, fet que permet controlar les propietats espacials de feixos monocromàtics de llum. En la primera part de la tesi, mostrem experimentalment el fet que certes modificacions de la dispersió espacial en CFs poden donar lloc a filtratge espacial (angular) de feixos de llum. L'estudi es focalitza en la millora de l'eficiència del filtratge espacial mitjançant la introducció de "chirp" (la variació del període longitudinal de l'estructura) en el CF. A més, per tal d'incrementar l'efecte considerem diferents estructures i materials. El treball presentat en aquesta tesi doctoral acosta a la realitat la creació d'una nova generació de filtres espacials per a circuits micro-fotònics i micro-dispositius. La segona part d'aquest estudi se centra en l'anàlisi teòric, numèric i experimental de la formació de dispersió espacial negativa en CFs, la gual dóna lloc a efectes de col·limació i focalització un cop travessat el CF. Les idees desenvolupades en aquesta tesi doctoral també són aplicables a sistemes amb pèrdues, en particular a CFs metàl·lics. Els resultats de les simulacions mostren l'existència d'ambdós efectes, filtratge espacial i focalització, en CFs metàl·lics.

High-power, stable, high-repetition-rate, picosecond ultraviolet (UV) sources are of crucial importance for a variety of applications, such as atmospheric sensing, spectroscopy or optical data storage. Further, precise material processing or laser patterning requires high energy sources with ultrashort pulses for increased accuracy. Nonlinear, single-pass, frequency conversion sources present a highly effective and simplified approach to cover the UV spectral regions inaccessible to lasers, offering potential solutions for many of the applications mentioned above. The development of high-average-power UV sources through third- and fourth-harmonic generation (THG and FHG, respectively) of 1064 nm fiber lasers in nonlinear crystals is of particular importance due to their compact footprint, high efficiency, long lifetime, excellent stability and cost-effective design. The features of these sources are strongly dependent on the choice of the nonlinear crystal. For UV generation, this choice is particularly challenging when low-intensity picosecond pulses at high repetition rates are involved. Borate-based birefringent crystals are the most viable candidates for UV generation in the absence of suitable periodically-poled nonlinear materials, and are readily available. This thesis presents the development of High-power, stable, high-repetition-rate, picosecond ultraviolet (UV) sources are of crucial importance for a variety of applications, such as atmospheric sensing, spectroscopy or optical data storage. Further, precise material processing or laser patterning requires high energy sources with ultrashort pulses for increased accuracy. Nonlinear, single-pass, frequency conversion sources present a highly effective and simplified approach to cover the UV spectral regions inaccessible to lasers, offering potential solutions for many of the applications mentioned above. The development of high-average-power UV sources through third- and fourth-harmonic generation (THG and FHG, respectively) of 1064 nm fiber lasers in nonlinear crystals is of particular importance due to their compact footprint, high efficiency, long lifetime, excellent stability and cost-effective design. The features of these sources are strongly dependent on the choice of the nonlinear crystal. For UV generation, this choice is particularly challenging when low-intensity picosecond pulses at high repetition rates are involved. Borate-based birefringent crystals are the most viable candidates for UV generation in the absence of suitable periodically-poled nonlinear materials, and are readily available. This thesis presents the degenerating the second- and third-harmonic of a high-power, picosecond Yb-fiber laser at 1064 nm, delivering excellent stability and high quality beam profile. Moreover, efforts to refine the THG efficiency led to a successful improvement of the aforementioned fiber-based source at 355 nm. This was achieved by deploying a single-pass second-harmonic generation (SHG) under noncritical phase-matching in LiB3O5 (LBO) crystal, which considerably enhanced the output power and improved the overall performance with regard to stability and beam quality in the green, that are technologically important for a diverse range of technological applications. The obtained results at 355 nm confirm the viability of BIBO as a highly attractive material for efficient generation of low-intensity, high-average-power picosecond pulses in the UV. Further, we demonstrated a fiber-based high-repetition-rate UV source at 266 nm based on single-pass FHG in BBO crystal in a simple and practical design. Using direct single-pass SHG of 1064 nm in LBO as a pump source for the BBO crystal, 1.7 W of output power at 266 nm was generated in a high beam quality with excellent stability and spectral features. This compact and robust design represents the highest single-pass efficiency and average power of a MHz-repetition-rate picoseconds UV source at 266 nm ever demonstrated. / Las fuentes estables de luz pulsada en el ultravioleta (UV) en el régimen de picosegundos (ps) con altas frecuencias de repetición y de alta potencia juegan un papel crucial en gran cantidad de aplicaciones. Alguno ejemplos son la detección atmosférica de gases, técnicas de espectroscopia o el almacenamiento óptico de datos. Además, las nuevas técnicas de procesado de materiales y de grabado láser requieren estas fuentes de pulsos ultracortos de alta potencia para conseguir los más altos niveles de precisión. En este sentido, las fuentes no lineales de radiación basadas en la conversión de frecuencias de paso único presentan las mejores características para cubrir dicha región espectral a día de hoy inaccesible a los láseres convencionales, ofreciendo un amplio abanico de soluciones para todas las aplicaciones anteriormente mencionadas. El desarrollo de estas fuentes de luz de alta potencia basadas en la generación del tercer y cuarto armónico (THG y FHG del inglés) de láseres de fibra de 1064 nm son de gran interés gracias a su compacto diseño, alta eficiencia, larga vida, excelente estabilidad y buena relación calidad-precio. Las características de estas fuentes están determinadas por la elección del cristal no lineal que se utilice. La generación de radiación UV presenta particulares dificultades cuando se trata de pulsos de ps a baja intensidad a altas frecuencias de repetición. En estos casos, los cristales birrefringentes de la familia de los boratos son los mejores candidatos para la generación de esta radiación dada la ausencia de materiales no lineales periódicamente polarizados adecuados para este fin. En esta tesis se presenta el desarrollo de varias fuentes de UV de alta potencia basadas en la conversión de frecuencias, empleando diferentes configuraciones experimentales así como distintos cristales no lineales, construyendo diseños compactos, fiables y de bajo coste. En concreto, se escogieron los cristales relativamente nuevos, ß-BaB2O4 (BBO) y BiB3O6, (BIBO), para nuestras fuentes de UV. Estos presentan mejoras sustanciales en las propiedades ópticas, térmicas y de ajuste de fases para THG y FHG. Por otro lado, en esta tesis se utilizó un láser de fibra de iterbio a 1064 nm como fuente de bombeo. Primeramente, se demostró una nueva fuente de UV de 355 nm comprendida por dos etapas en un innovador esquema multicristal. Este incluye dos cristales BIBO que amplifican eficientemente los efectos inducidos por su propia birrefringencia. Esta fuente generó simultáneamente el segundo y tercer armónico de un láser de fibra de iterbio a 1064 nm de alta potencia, presentando una excelente estabilidad con un perfil en el haz de alta calidad. En segundo lugar, gracias a los esfuerzos para incrementar la eficiencia del THG se obtuvieron mejoras sustanciales respecto a la anterior fuente de UV de 355 nm. La generación del segundo armónico (SHG del inglés) se realizó implementando un cristal LiB3O5 (LBO), con ajuste de fases no crítico de paso único y por ello se incrementó la potencia y se mejoraró la estabilidad y la calidad del haz de 532 nm. Posteriormente se procedió a sumar las frecuencias ¿1064 nm y 532 nm¿, obteniendo unos resultados a 355 nm que confirman la viabilidad del BIBO como un excelente material para generar eficientemente pulsos de ps de baja intensidad en el UV. Por último, también demostramos una fuente de radiación de 266 nm con alta frecuencia de repetición basado en FHG de paso único usando un cristal BBO mediante un diseño simple y práctico. Utilizando el SHG de 1064 nm de paso único generado en un cristal LBO como fuente de bombeo para el cristal BBO, pudimos generar hasta 1.7 W de potencia de salida a 266 nm, con un haz de gran calidad y excelentes características espectrales y de estabilidad. Este diseño compacto y robusto presenta la mayor eficiencia de paso único y potencia media en una fuente de 266 nm de ps con frecuencia de repetición de MHz jamás demostrada / Les fonts estables de llum polsada en l'ultraviolat (UV) en el règim de picosegons amb altes freqüències de repetició i d'alta potència, juguen un paper crucial en gran quantitat d'aplicacions. Algun d'aquests exemples són la detecció atmosfèrica de gasos, tècniques d'espectroscòpia o l'emmagatzemat òptic de dades. A més a més, les noves tècniques de processat de materials i de gravat làser requereixen aquestes fonts de polsos ultracurts d'alta potència per aconseguir els més alts nivells de precisió. En aquest sentit, les fonts de radiació no lineal basades en la conversió de freqüències de pas únic presenten les millors característiques per cobrir aquesta regió espectral a dia d'avui inaccessible als làsers convencionals, oferint un ampli ventall de solucions per totes les aplicacions anteriorment esmentades. El desenvolupament d'aquestes fonts de llum d'alta potència basades en la generació del tercer i quart harmònic (THG i FHG per les seves sigles en anglès) del làser de fibra de 1064 nm són de gran interès gràcies al seu compacte disseny, alta eficiència, llarga vida, excel·lent estabilitat i bona relació qualitat-preu. Les característiques d'aquestes fonts estan fortament determinades per l'elecció del cristall no lineal que s'utilitzi. La generació de radiació UV presenta particulars dificultats quan es tracta de polsos de picosegons a baixa intensitat amb altes freqüències de repetició. En aquests casos, els cristalls birefringents de la família dels borats són els candidats més atractius per la generació d'aquesta radiació donada l'absència de materials no lineals periòdicament polaritzats adequats per aquesta finalitat. En aquesta tesi es presenta el desenvolupament de diverses fonts d'UV d'alta potència basades en la conversió de freqüències, emprant diferents configuracions experimentals així com diferents cristalls no lineals, construint dissenys compactes, fiables i de baix cost. En concret, es van escollir els cristalls relativament nous, β-BaB2O4 (BBO) i BiB3O6, (BIBO), per les nostres fonts d'UV. Aquests presenten millores substancials pel que fa a les propietats òptiques, tèrmiques i d'ajust de fases per THG i FHG. D'altra banda, en els treballs presentats en aquesta tesi es va utilitzar un làser de fibra d'iterbi a 1064 nm com a font de bombeig. En primer lloc, es va demostrar una nova font d'UV de 355 nm que consta de dues etapes en un simple i innovador esquema multi-cristall. Aquest inclou dos cristalls BIBO que amplifiquen eficientment els efectes induïts per la seva pròpia birefringència. Aquesta font va generar simultàniament el segon i tercer harmònic d'un làser de fibra d'iterbi a 1064 nm d'alta potència, presentant una excel·lent estabilitat amb un perfil al feix d'alta qualitat. A més a més, es van fer servir al màxim les tècniques per un òptim enfocament i el consegüent augment de l'eficiència. En segon lloc, els esforços per incrementar l'eficiència del THG van resultar en millores substancials respecte l'anterior font d'UV de 355 nm. La generació del segon harmònic (SHG per les seves sigles en anglès) es va realitzar mitjançant la implementació d'un cristall LiB3O5 (LBO), que presenta un ajust de fases no crític de pas únic. Gràcies a aquesta acció, es va realçar la potència i es van millorar les característiques de sortida de la font com l'estabilitat i la qualitat del feix de 532 nm, les quals són importants per diverses aplicacions tecnològiques. Posteriorment es va procedir, com en el cas anterior, a sumar les freqüències –1064 nm i 532 nm–, obtenint uns resultats a 355 nm que confirmen la viabilitat del BIBO com un excel·lent material per generar eficientment polsos de picosegons de baixa intensitat en el UV. Per últim, també vam demostrar una font de radiació de 266 nm amb un alta freqüència de repetició basat en FHG de pas únic utilitzant un cristall BBO mitjançant un disseny simple i pràctic. Utilitzant el SHG de 1064 nm de pas únic generat en un cristall LBO com a font de bombeig per el cristall BBO, va poder generar fins a 1.7 W de potència de sortida a 266 nm, presentant un feix de gran qualitat amb unes excel·lents característiques espectrals i d'estabilitat. Aquest disseny és compacte i robust, presenta la major eficàcia de pas únic i potència mitja en una font de 266 nm de picosegons amb freqüència de repetició de MHz mai demostrada fins ara.

Tesi per compendi de publicacions / Esta tesis cubre un conjunto de objetivos de investigación relacionados con la adquisición, la medida, la representación y el procesado de la información de color contenida en la imagen digital. La caracterización de los dispositivos de adquisición (cámaras) ha facilitado la determinación de las mejores condiciones de uso en aplicaciones colorimétricas. Se han desarrollado herramientas de análisis que permiten obtener, de forma automática o semiautomática, medidas sobre pequeñas diferencias de color, realce de contornos y segmentación, relacionándolas con la respuesta que en operaciones similares proporciona la visión humana. Se presentan resultados experimentales y numéricos en un conjunto de aplicaciones que abarcan operaciones seleccionadas en diversos campos: la inspección industrial, como la evaluación de la uniformidad en el color de las muestras textiles; el realce de imágenes en color y la interpretación de imágenes oftálmicas, como la extracción de características en imágenes de complicaciones derivadas del uso de lentes de contacto y en imágenes del fondo del ojo para el diagnóstico y seguimiento del glaucoma.Los logros alcanzados son:· Análisis comparativo de dos tipos de cámara para la adquisición de imagen digital en color: videocámara de arquitectura 3CCD y cámara fotográfica con sensor CMOS multicapa. Caracterización del funcionamiento de la cámara con fines colorimétricos. Medida de la calidad a partir de la sensibilidad espectral y ruido producido en la imagen.· Evaluación de la capacidad de la cámara para medir pequeñas diferencias de color entre pares de muestras. Comparación de la respuesta de la cámara con un instrumento de referencia de elevada precisión. Elaboración de tests de muestras que permitan realizar esta evaluación, afinando en la presentación de pequeñas diferencias de color, explorando la respuesta de la cámara en regiones del espacio de color que puedan implicar dificultad, o que presenten interés por su repercusión industrial, etc. Se ha usado la métrica CIELAB y CIEDE 2000, recomendadas por la CIE.· Diseño de un método para el realce de la imagen en color inspirado en los modelos computacionales de la visión humana. Realce de los contornos de una imagen en color considerando las condiciones de observación y las características del dispositivo (monitor) que se utiliza para presentar la imagen. Combinación del operador de realce de derivada segunda con el suavizado mediante funciones gaussianas y todo ello, a su vez, con el espacio S-CIELAB, definido para medir distancias de color entre imágenes tal y como son percibidas en unas condiciones de observación determinadas. Análisis de las limitaciones del método que den lugar a efectos no deseados, desviaciones de color, presencia de ruido, etc. Estudio de variantes y aproximaciones del método que puedan presentar ventajas por implicar algún tipo de simplificación en su aplicación o por rebajar los requerimientos de cómputo.· Desarrollo de aplicaciones de visión artificial para la ejecución de tareas que habitualmente son exclusivas de técnicos y especialistas con visión entrenada en diversos campos: Inspección de la uniformidad del color en muestras textiles, análisis de imágenes estándar para la graduación de las complicaciones producidas por el uso lentes de contacto y análisis de imágenes del fondo de ojo para la ayuda al diagnóstico precoz y seguimiento del glaucoma. Obtención de resultados experimentales, análisis y extracción de conclusiones.Esta tesis contribuye a aumentar las capacidades potenciales de los sistemas de visión artificial para ser utilizados en aplicaciones que requieren una evaluación e interpretación de la información de color en imágenes digitales. Estas aplicaciones tradicionalmente se llevan a cabo mediante la visión humana entrenada de técnicos o especialistas y pueden mejorar notablemente si se incrementa en ellas la objetividad y la automatización. / This doctoral dissertation addresses a range of practically motivated research objectives related to the acquisition, measurement, representation and processing of colour information contained in digital images. The characterization of imaging devices (cameras) has allowed the author to determine their best working conditions for colorimetric applications. New tools of image analysis have been developed to automatically or partly automatically measure small colour differences, sharpen images and segment objects. All these operations have been related to similar operations of the human vision performance.The work includes both experimental and numerical elements in a variety of applications: industrial inspection (colour uniformity assessment of textile dyeing), colour image sharpening, and analysis of ophthalmic images (feature extraction in reference images of complications related to wearing contact lenses and characterization of retina fundus images for glaucoma diagnosis and monitoring).The specific achievements are:· Comparative analysis of two types of digital cameras: 3CCD camera and multilayer silicon sensor camera. Characterization of camera performance for colorimetric purposes. Calculation of measure of goodness that involve both the spectral sensitivities and imaging noise of the camera.· Evaluation of the capabilities of digital cameras to measure small colour differences between sample pairs by comparing the camera performance with a reference instrument. Design of specific tests of colour samples. Particular attention is paid to the nearly neutral region of the colour space (very pale and the dark greyish colours) that entails certain degree of difficulty. It has been used metric CIELAB and CIEDE 2000, recommended by the CIE.· Design of a method for image sharpening based on human colour vision models. The method combines second derivative operators with the spatial-CIELAB space defined to measure colour distances between images. A colour image is sharpened taking into account the viewing condition of the observer and the characteristics of the monitor used to display. The method has been demonstrated to yield better results than conventional methods. Possible artifacts are explored and evaluated.· Several applications in different fields have been developed: Application to colour matching assessment by machine vision in textile industry; application to the analysis of standard images to grade the complications produced by contact lens wear in optometry, and application to the analysis of ophthalmic images related to glaucoma.Numerical and experimental results are obtained and discussed.This doctoral dissertation contributes to increase the potential capabilities of artificial vision systems based on digital images in colour to be used in applications involving analysis of colour images which traditionally require the involvement of human specialists or technicians and that still remain far from objectiveness and automation.

Un dels límits fonamentals que afecta l'eficiència de conversió en cèl·lules fotovoltaiques és la distribució espectral de la radiació solar. D'una banda, només els fotons amb energia superior al gap del semiconductor poden convertir-se en electricitat a la cèl·lula. Els fotons de baixa energia no generen parells electró-forat. D'altra banda, l'excés d'energia dels portadors generats per fotons de molt alta energia es perd ràpidament per termalització en el propi dispositiu. Aquests fotons d'alta energia no generen una major energia elèctrica, pel que l'excés d'energia òptica es perd. Per superar aquesta limitació, la investigació s'ha centrat majoritàriament en millorar la conversió directa de fotons d'alta i baixa energia a través de, per exemple, l'ús d'up- i down-converters. Una alternativa menys estudiada consisteix en adaptar la radiació solar al dispositiu com a pas previ a la conversió. Aquesta adaptació es realitza mitjançant l'ús d'emissors selectius òpticament adaptats al semiconductor. Un emissor selectiu és un material amb una emissió tèrmica que ocupa una banda espectral estreta, en comptes d'emetre en tot l'espectre freqüencial. Aquests emissors són una alternativa eficient per obtenir grans conversions, treballant a temperatures al voltant dels 1500 K, donat que un material calentat pel Sol, o una altra font d'energia, pot reemetre llum amb una distribució espectral molt més adequada al dispositiu fotovoltaic. Aquest mode d'operació es coneix com a conversió d'energia termofotovoltaica. A la natura existeixen materials capaços de comportar-se com emissors selectius. Els òxids de terres rares representen un interesant camp d'investigació. Aquests òxids tenen una emissió tèrmica molt baixa en tot l'espectre excepte a certes freqüències. Aquestes freqüències d'emissió són úniques i selectives i provenen de ressonàncies a l'estructura cristal·lina del material. El desavantatge en la seva utilització radica en què la posició espectral d'aquests pico d'emissió, propis del material i la seva estructura, no pot ser controlada. A més, aquestes bandes d'emissió són relativament estretes, generant una baixa densitat de potència radiada. Per tant, existeix la necessitat de treballar amb materials amb una banda d'emissió selectiva que pugui ser dissenyada i controlada convenientment. La solució és l'ús de cristalls fotònics (materials artificials amb propietats òptiques que no existeixen en la natura). Encara que la seva fabricació presenta molts reptes, aquests cristalls artificials permeten el control de l'emissió espontània, suprimint-la o potenciant-la a la banda freqüencial d'interès. Existeixen varies interaccions que permeten aquest control: l'efecte de banda prohibida, la interacció per plasmons o fonons, o l'efecte de microcavitat. Tots permeten modificar l'espectre d'emissió tèrmica d'un material. La present tesis doctoral està dedicada a l'estudi de les propietats d'emissió tèrmica, i estabilitat tèrmica, d'emissors selectius basats en cristalls fotònics. S'han analitzat varies estructures: cristalls fotònics basats en silici macroporós, quasi-cristalls fotònics i microcavitats metàl·liques. També, en col·laboració amb altres grups d'investigació, s'han analitzat les propietats tèrmiques de cristalls col·loïdals. En el present treball, es mostra que els cristalls i quasi-cristalls basats en silici macroporós poden inhibir eficientment la radiació tèrmica de manera controlable, sent a més estables a alta temperatura fins 1500 K. Respecte els cristalls metàl·lics, l'estudi realitzat mostra la seva alta selectivitat espectral, encara que aquests emissors han de treballar a temperatures inferiors a 1100 K per garantir la seva estabilitat estructural i òptica. / One of the fundamental limits of conversion efficiency in photovoltaic cells is the broadband distribution of solar spectrum. On one hand, only photons with energy higher than the semiconductor's bandgap can be converted in the device, on the other hand, carriers generated by high energy photons rapidly loose their excess of energy by thermalization with the lattice. To overcome this limitation, and span the useful convertible region of solar spectrum, many approaches have focused on improving the direct photon to electron conversion by the development of up- and down-converters. A less studied alternative, however, is the use of spectrally narrow distributed emitters, optically matched with the gap energy of the photovoltaic cell, instead of direct sunlight. Indeed, a material heated by the sun, or another energy source as methane or hydrogen, can re-emit light with suitable spectral distribution and significant higher power density, improving conversion efficiencies in solar cells. This way of operation is known as thermophotovoltaic energy conversion. Several materials have been considered to be used as emitters in thermophotovoltaic systems. Silicon carbide is a common one, thanks to its high stability at temperatures up to >2000 K. However, its broadband spectral emission limits the conversion efficiency in the photovoltaic device and forces to work at elevated temperatures. Selective emitters, which stand for materials whose thermal emission occupies a narrow spectral region, are a promising alternative to reach elevated conversion efficiencies at lower temperatures. Natural selective emitters as rare earths have attracted considerable research interest as they present unique emission peaks with the highest emittance level. This approach, however, presents some drawbacks, the spectral position where strong emission appears is not controllable, and the width of the emission band is relatively narrow, leading to a low power density emitted by the source. An advantageous way to engineer the selective emission of a thermal source and control the spectral position and bandwidth of strong emission, is by making use of photonic crystals (articial materials engineered to show optical properties that may not be found in nature). The spectral control of the spontaneous emission in such materials is a unique feature of photonic crystals, although their fabrication, mainly in three-dimensions, is still challenging. Several interactions between photonic crystals and radiation have been reported: the photonic bandgap effect, surface plasmon polaritons, phonon polaritons, or the microcavity effect, to give some examples. All these approaches allow engineering the thermal emission of materials to match the energy band of the photovoltaic cell and benefit the optical to electrical conversion efficiency, although some limitations arise when utilized in high temperature thermophotovoltaic systems which will be analyzed during the realization of this thesis. This thesis is therefore devoted to the study of the thermal emission properties and thermal stability of photonic crystal based selective emitters. Various structures have been analyzed: macroporous silicon crystals, photonic quasi-crystals and metallic microcavities. A study in self-assembled colloidal crystals was also started and the preliminary results are presented in the appendix of the document. Here, it is demonstrated that macroporous silicon crystals and quasi-crystals can inhibit thermal radiation in a controllable manner with thermal stability up to 1500 K. The great selective emission properties of metallic microcavities is also demonstrated, although the working temperature of such structures is limited below 1100 K to prevent degradation of the metallic layer.

Ultracold atomic gases have established themselves as quantum systems, which are clean and offer a high degree of control over crucial parameters. They are well isolated from their environment and thus offer the possibility to study coherent many-body dynamics. In this thesis, we address the dynamics of ultracold Fermions with large spin. Fermionic spinor gases differ from the typical situation in condensed matter physics, due to both the presence of the trap and the possibility of having fermions with large (>1/2) spin. Compared to the spin-1/2 case, large spin fermions must have one of two possible new properties. Either they obey an enhanced SU(N) symmetry, or they feature spin-changing collisions and a quadratic Zeeman shift. Here, we address the latter case. In the weakly interacting scenario, there are three different regimes. For very weak interactions, the system is in the collisionless regime and interactions can be taken into account on a mean-field level. For stronger interactions, collisions ensure local equilibrium and the system is described by hydrodynamic equations. For the intermediate regime however, there is no simple description. Moreover, the scattering cross-section for spin-changing and spin-conserving collisions can be different for large-spin fermions and we find a situation, where the system is hydrodynamic with respect to one process but not the other. In this thesis, a semi-classical Boltzmann equation with full spin coherence is developed, which allows to interpolate between the collisionless and hydrodynamic regime in the presence of the trap and for large spins. This approach goes beyond mean-field theory and treats the single-particle dynamics as an open system coupled to an environment given by all other particles. We find good agreement with experiments performed in the group of Klaus Sengstock at Hamburg University, using ultracold Potassium-40. We begin by investigating the effect of the harmonic trap on a collisionless system. We find a dynamical mechanism for spin-segregation, the mean-field driven creation of two domains of opposite magnetization in phase-space. The effect finds a transparent explanation when introducing the concept of dynamically induced long-range interactions, occurring when the fast phase-space rotation induced by a strong parabolic trap effectively smears out the contact interactions. Further results in this thesis have been achieved in collaboration with the experimental group in Hamburg. In the first project, we study the collective excitations of a trapped four-component Fermi gas. Long wavelength spin waves are excited by using a magnetic field gradient to wind up a spin spiral. During the subsequent dynamics, the spin components oscillate in the trap, while the total density remains constant. The dynamics can be understood quantitatively by disentangling it into dipolar, nematic and octupolar configurations. In a further experiment with spin-9/2 fermions, it was found that spin-changing interactions can lead to collective and coherent oscillations of the spin state of the whole Fermi sea with long lifetimes. It is found theoretically, that these giant oscillations are protected from spatial dephasing by dynamically induced long-range interactions. We identify the suppression of such oscillations in the high-density regime as the consequence of incoherent non-forward scattering. In the last project, we study collision processes in ultracold Potassium in greater detail. We find that they can be arranged in 3 categories: Spin-changing vs. spin-conserving collisions, processes depending on density vs. processes depending on density gradients and forward vs. lateral scattering. With this categorization, as well as the exact dependence of each process on scattering lengths and momenta, we can explain and simulate not only the coherent mean-field driven oscillations, but also relaxation effects that appear to be incoherent on the single-particle level / Gases atómicos ultrafríos han establecido como sistemas cuánticos limpias que ofrecen un alto grado de control sobre parámetros cruciales. Están bien aisladas de su entorno y por eso ofrecen la posibilidad de estudiar la dinámica coherente de muchos cuerpos. En esta tesis, estudiamos la dinámica de fermiones ultrafríos con spin largo. Gases espinoriales fermiónicos difieren de la situación típica en la física de materia condensada por la presencia de la trampa y la posibilidad de tener un spin largo (> 1/2). En comparación con el caso de spin 1/2, fermiones de espín largo deben tener una de dos posibles propiedades nuevas. Obedecen a una simetría ampliada SU(N), o muestran colisiones spin-cambiante y un efecto Zeeman cuadrático. Aqui tratamos el segundo caso. En el escenario de interacciónes débiles, hay tres regímenes diferentes. Para interacciones muy débiles, el sistema está en el régimen sin colisiones e interacciones se puede describir en un nivel de campo medio. Para interacciones fuertes, las colisiones garantizan el equilibrio local y el sistema es descrito por ecuaciones hidrodinámicas. Para el régimen intermedio, no hay una descripción sencilla. Ademas, la sección transversa de dispersión para colisiones spin-cambiantes y de spin-conservación puede ser diferente para fermiones de espín largo. Encontramos una situación, donde el sistema es hidrodinámico con respecto a un proceso, pero no a la otra. En esta tesis desarrollamos una ecuación de Boltzmann semi-clásica, que permite interpolar el régimen intermedio, en presencia de la trampa y para espín largo. Este enfoque trata la dinámica de un cuerpo como un sistema abierto, acoplado a un entorno determinado por todas las atomos demás. Encontramos un buen acuerdo con experimentos realizados en el grupo de Klaus Sengstock en la Universidad de Hamburgo, hechos con potasio-40 ultrafrío. Comenzamos investigando el efecto de la trampa armónica en un sistema sin colisiones. Encontramos un mecanismo dinámico par la segregación de spin, la creación de dos dominios de magnetización opuesta en el espacio fásico, impulsada por el campo medio. Encontramos una explicación transparente de este efecto con la introducción del concepto de interacciones de largo alcance inducidos dinámicamente, que se forma cuando una fuerte trampa parabólica desenfoque eficazmente las interacciones de contacto. Otros resultados de esta tesis han sido realizados en colaboración con el grupo experimental en Hamburgo. En el primer proyecto, estudiamos las excitaciones colectivas de un gas de Fermi atrapada, con cuatro componentes de spin. Ondas de spin con larga longitud de onda se excitan mediante un gradiente de campo magnético. Durante la dinámica siguiente, los componentes de spin oscilan en la trampa, mientras que la densidad total permanece constante. Podemos entender esta dinámica cuantitativamente desligandola en configuraciones dipolares, nemáticos y octupolares de espín. En un experimento siguiente con fermiones de spin 9/2, se encontró que las interacciones spin-cambiando pueden activar oscilaciones colectivas y coherentes del estado de spin de todo el mar de Fermi con duración larga. Descubrimos teóricamente, que estas oscilaciones gigantes están protegidos de desfase espacial por las interacciones de largo alcance inducidos dinámicamente. Identificamos la supresión de tales oscilaciones en el régimen de alta densidad como la consecuencia de la dispersión incoherente lateral. En el último proyecto, estudiamos los procesos de colisión en potasio ultrafrío en mas detalle. Podemos organizarlos en tres categorías: Colisiones spin-cambiante vs. spin-conservación, procesos dependiente de la densidad vs. gradientes de densidad y colisiones hacia adelante vs. laterales. Con esta clasificación y la dependencia en la longitud de dispersión y momentos, podemos explicar y simular no sólo las oscilaciones coherentes impulsados por el campo medio, sino también efectos de relajación

This thesis presents the development of a new class of high-power, continuous-wave (cw) optical parametric oscillators (OPOs) with extended tunability from visible to near-infrared (near-IR). While lasers have been in use for nearly 50 years, it is still difficult to develop laser systems that can cover many regions of the optical spectrum, from ultraviolet (UV) and visible to the near and mid-infrared wavelength range, with potential applications in the fields such as spectroscopy, remote sensing, trace gas detection, and many more. Development of cw OPOs in singly-resonant oscillator (SRO) configurations, the focus of this thesis, is challenging due to the high threshold pump power (several watts). In addition, with visible pumping, photorefractive effect and thermal lensing effects become important issues to overcome. Therefore, the realization of practical cw SROs requires optimal cavity design, suitable nonlinear materials, and high-power laser with high spectral and spatial quality. High-power, single-frequency, cw SROs based on 30-mm-long MgO-doped, stoichiometrically grown, periodically-poled LiTaO3 (MgO:sPPLT) have been developed. The oscillators were pumped in the green by a frequency-doubled cw diode-pumped Nd:YVO4 laser at 532 nm. With a single grating period of 7.97 µm, continuous signal and idler coverage over 848-1430 nm is obtained by temperature tuning between 52 oC and 248 oC. In a linear cavity configuration and double-pass pumping, an oscillation threshold of 2.88 W has been obtained, and single-pass idler powers in excess of 1.51 W have been generated over 1104-1430 nm for 6 W of pump power at an extraction efficiency of 25.2% and photon conversion efficiency of 56.7%. For single-frequency performance of the cw SRO across 848-1430 nm, we have used a compact ring cavity configuration along with a frequency selecting element (etalon). Using the same MgO:sPPLT crystal, the SRO oscillation threshold of 2.84 W has been obtained, and single-pass idler powers in excess of 1.59 W have been generated over 1104-1430 nm with a maximum SRO extraction efficiency of 25.2% and pump depletions as much as 67%. The single-frequency idler output has a linewidth of ~7 MHz. Under free-running conditions and in the absence of thermal isolation, the idler power exhibits a peak-to-peak stability of 16% over 5 hours. Although the cw SRO can provide optical radiation across 848-1430 nm, the high output power was only available over 1104-1430 nm, due to the high reflectivity of the cavity mirrors for SRO operation. Using finite output coupling of the resonant wave, we have extended the available practical output power across the entire tuning range. The cw out-coupled SRO (OC-SRO) can deliver total power of up to 3.6 W at 40% extraction efficiency with a linewidth of 3 MHz across 848-1430 nm. The signal power shows a peak-to-peak power stability <10.7% over 40 minutes in a TEM00 spatial mode with M2 <1.52. Without any active stabilization, the resonant signal exhibits a natural long-term frequency stability <75 MHz over 15 minutes and short-term frequency stability <10 MHz over 10 seconds, demonstrating the potential of the system for spectroscopic applications. Using internal second-harmonic-generation of the resonant near-infrared signal radiation of the MgO:sPPLT cw SRO in a 5-mm-long BiB3O6 crystal, we have generated 1.27 W of cw, single-frequency blue power over a tunable range of 425-489 nm with a linewidth of 8.5 MHz and a Gaussian spatial beam profile. The blue source is frequency-stable to better than 280 MHz, limited by the resolution of the wavemeter. We have also developed cw green sources, in a simple single-pass experimental configuration by frequency-doubling a fiber laser using MgO:sPPLT and periodically-poled KTiOPO4 (PPKTP) crystals, generating as much as 9.6 W of green radiation in TEM00 spatial beam profile (M2 <1.33) with a single-pass efficiency of 32.7% in MgO:sPPLT. This green source has also successfully been used to pump cw SROs and will be used to pump Ti:sapphire lasers. Using this frequency-doubled green source, we have demonstrated cw OC-SRO providing a stable single-frequency output power up to 2 W across the tuning range of 855-1408 nm, with peak-to-peak power stability <11.7%, frequency-stability <10 MHz over 10 seconds, in TEM00 (M2 <1.26) spatial beam profile. / Esta tesis presenta el desarrollo de una nueva clase de osciladores ópticos paramétricos (OPOs) de onda continua (cw) y alta potencia con extendida sintonización desde el visible al infrarrojo (IR) cercano. A pesar de que los láseres están en uso desde hace casi 50 años, todavía es difícil desarrollar sistemas láser que puedan cubrir muchas regiones del espectro óptico en los rangos de longitud de onda desde el ultravioleta (UV) y visible hasta el infrarrojo cercano y medio, con potenciales aplicaciones en campos como la espectroscopia, sensores remotos, detección de trazas de gases, entre muchas otras. El desarrollo de cw OPOs en configuraciones de oscilador simplemente resonante (SRO), objetivo principal de esta tesis, es un gran desafío debido al alto umbral de potencia de bombeo (varios watts). Además, cuando se emplea bombeo visible, los efectos fotorrefractivo y de lente térmica adquieren especial relevancia y son difíciles de superar. Por lo tanto, la realización de cw SROs prácticos requiere de un óptimo diseño de cavidad, adecuados materiales no lineales y láseres de alta potencia con excelente calidad tanto espectral como espacial. Se han desarrollado cw SROs de alta potencia y frecuencia única basados en cristales de LiTaO3 de 30 mm de longitud, de crecido estequiométrico, con dopado de MgO y periódicamente pulidos (MgO:sPPLT). Los osciladores fueron bombeados en el verde mediante el láser de cw Nd:YVO4 bombeado por diodos y doblado en frecuencia. Utilizando un único periodo de red de 7.97 m, se ha obtenido cobertura continua de los campos señal y pivote en el rango 848-1430 nm por sintonización de temperatura entre 52ºC y 248ºC. Empleando una configuración de cavidad lineal y bombeo de doble paso, se ha logrado un umbral de oscilación de 2.88 W y se han generado potencias superiores a 1.51 W para el campo pivote en simple paso dentro del rango 1104-1430 nm para 6 W de potencia de bombeo, eficiencia de extracción del 25.2% y eficiencia de conversión de fotón del 56.7%. Con el objetivo de operar el cw SRO en frecuencia única a través del rango 848-1430 nm, hemos utilizado una configuración compacta de cavidad en anillo junto a un elemento para la selección de frecuencia (etalon). Utilizando el mismo cristal de MgO:sPPLT, se ha obtenido un umbral de oscilación del SRO de 2.84 W y se han generado potencias superiores a 1.59 W para el campo pivote en paso único dentro del rango 1104-1430 nm con una eficiencia máxima de extracción del 25.2 % y agotamiento del bombeo tan alto como el 67%. La salida del campo pivote en frecuencia única tiene un ancho de línea de ~ 7 MHz. Bajo condiciones de sistema libre y en ausencia de aislamiento térmico, la potencia del campo pivote exhibe estabilidad de pico a pico de 16% durante 5 horas. A pesar de que el cw SRO puede proveer radiación óptica en el rango 848-1430 nm, la alta potencia de salida solo se consiguió obtener en el rango 1104-1430 nm a causa de la alta reflectividad de los espejos de la cavidad para operar en SRO. Utilizando un acoplamiento de salida finito de la onda resonante, hemos extendido la disponibilidad de prácticas potencias de salida a través de todo el rango de sintonía. El cw SRO con acoplador de salida (OC-SRO) puede entregar un apotencia total de hasta 3.6 W con una eficiencia de extracción del 40% y con un ancho de línea de 3 MHz en el rango 848-1430 nm. La potencia del campo señal muestra fluctuaciones en potencia de pico a pico <10.7% durante 40 minutos y modo espacial TEM00 con M2<1.52. En ausencia de estabilización activa, el campo señal resonante exhibe una estabilidad en frecuencia natural a largo término con fluctuaciones <75 MHz durante 15 minutos, así como a corto término con fluctuaciones<10MHz durante 10 segundos, demostrando el potencial del sistema para aplicaciones en espectroscopia. Utilizando generación interna de segundo harmónico del campo señal resonante en el rango del infrarrojo cercano del MgO:sPPLT cw SRO mediante un cristal de BiB3O6 de 5 mm de longitud, hemos logrado generar 1.27 W de potencia cw y frecuencia única en el azul dentro del rango de sintonía 425-489 nm y con un ancho de línea de 8.5 MHz y un perfil espacial del haz de tipo Gaussiano. La estabilidad en frecuencia de la fuente azul es mejor que 280 MHz, donde la limitación viene impuesta por la resolución del medidor de longitud de onda empleado. Adicionalmente, hemos desarrollado fuentes verdes en cw en una sencilla configuración experimental de único paso, mediante el doblado en frecuencia de un láser de fibra con cristales de MgO:sPPLT y KTiOPO4 pulido periódicamente (PPKTP), generando hasta 9.6 W de radiación verde en modo espacial TEM00 (M2<1.33) con una eficiencia de paso único de 32.7% en MgO:sPPLT. Esta fuente verde has sido también empleada exitosamente para bombear cw SROs y será utilizada para bombear láseres de Ti:sapphire. Mediante esta fuente verde doblada en frecuencia, hemos demostrado que el cw OC-SRO proporciona una salida estable en frecuencia única con potencia de hasta 2 W a través del rango de sintonía 855-1408 nm, con estabilidad en potencia de pico a pico <11.7%, estabilidad en frecuencia <10 MHZ durante 10 segundos y modo espacial TEM00 (M2<1.26).

This thesis contains theoretical research on ultracold quantum gases in spatially periodic potentials, featuring high-frequency periodic driving, long-range interactions, or both. The largest part features deep potentials where the behaviour of the gas is well-described by quantum lattice models. The periodic driving is then integrated out to obtain effective time-independent descriptions. One project investigates emergent long-range interactions in a stationary, weak, spatially periodic potential, where a lattice theory is not appropriate.In two short introductory chapters, the topics of ultracold atoms, optical lattice potentials, periodic driving, and long-range interactions, are sketched, without attempting to give a complete overview. Some experimentally relevant length and energy scales are given, but the main focus is on deriving and constructing theoretical descriptions of ultracold gases in various spatially and/or temporally periodic potentials.The first project presented, is focused on how the single-particle spectrum of a Bose gas in a non-separable two-dimensional square lattice is affected by high-frequency periodic driving; the most striking conclusion is that under suitable circumstances, it develops two inequivalent minima, leading to finite-momentum Bose-Einstein condensation. Perturbative calculations indicate that local interactions induce spontaneous time-reversal symmetry breaking (TRSB) in such a system.The second project investigates the interplay between kinetic frustration and long-range interactions in fermionic gases. Both a mean-field approximation and exact diagonalisations predict that such a system, studied in the more specific realisation of a weakly interacting dipolar fermionic gas in a 2D triangular lattice, also leads to spontaneous TRSB. Furthermore, a density wave could form at quarter filling, where the Fermi surface is perfectly nested. Perhaps more interesting yet, a spatially inhomogeneous TRSB pattern is predicted, confined to the low-density sublattice that emerges in the density wave.The third project revolves around the question of supersolidity in the presence of a gauge field. Applying the Bogolyubov approximation to a variation of the extended Bose-Hubbard model, indicates that combining an artificial staggered magnetic field in a 2D square lattice with nearest-neighbour density-density interactions, not only leads to a supersolid with staggered vortices, but also induces an inhomogeneous distribution of the associated currents around the elementary plaquette.In the fourth project, a one-dimensional Bose gas with strong local interactions in a weak lattice at incommensurate densities is shown to feature excitations corresponding to excess or deficit particles. The excitations interact repulsively at long distances, in spite of the fact that the underlying atoms themselves do not. As a consequence, the incommensurability of the density with the lattice can drive a transition to a density wave and even a supersolid.The four above-mentioned research projects combine bosonic and fermionic gases, weak and strong interactions, perturbative and mean-field approximations, effective field theories and exact diagonalisations. The main overall conclusion is that long-range interactions and high-frequency periodic driving lead to a very diverse range of fascinating phenomena in ultracold lattice gases.

Optical quantum memories (QMs) are one of the fundamental building blocks in quantum information science (QIS). They might find important use in quantum communication and computation applications. Rare-earth ions (REIs) have been investigated for decades for their optical properties. They exhibit excellent coherence properties when cooled down to cryogenic temperatures. Not surprisingly, they emerged as a promising candidate for use in QIS as QMs. In this thesis, we investigated the quantum storage of photonic qubits in a Pr3+ :Y2SiO5 (PrYSO) crystal for potential use in quantum communication and networking applications. We started by constructing the experimental setup and the laser system from scratch as our research group had just been established at the beginning of this PhD study. First experiments included spectroscopy of the PrYSO system in order to identify the electronic transitions that are suitable for the QM experiments. We used the atomic frequency comb (AFC) memory protocol in all the experiments presented in this thesis. We also developed complex pulse sequences that are necessary for the optical preparation of an AFC. As a first experiment, we demonstrated the storage of photonic polarization qubits encoded in weak coherent states in the excited states of Pr3+ ions for a predetermined storage time of 500 ns. This had not been achieved previously due to the polarization dependent absorption of the material. We achieved average storage fidelities of ~95% which surpass the best achievable value with a measure and prepare strategy, thus proving the quantum character of our interface. Nevertheless, in order to be implemented in realistic quantum networking architectures, a QM should have the capability of on-demand retrieval of the stored information. As a first step towards this goal, our next experiment concerned the transfer of the input pulses to and from the long-lived hyperfine ground levels of Pr3+ ions, albeit with bright pulses. Furthermore, by performing time-bin interference experiments, we demonstrated that the coherence is preserved during the storage, transfer and retrieval processes. Temporal multimode storage in the spin-states up to 5 modes was also shown. Finally, in the last part of this thesis we demonstrated a solid-state spinwave quantum memory, with qubits encoded in weak coherent states at the single photon level. Storing and retrieving single-photon level fields in the ground levels of the PrYSO system is challenging as the strong control pulses and the weak input pulse to be stored in the memory are separated by only 10:2 MHz. The control pulses create noise, mostly as free-induction decay, fluorescence and scattering off the optical surfaces. In order to circumvent this problem we employed narrow-band spectral, temporal and spatial filtering. By using spectral-hole burning based narrow band filter created in a second PrYSO crystal, we could achieve signal-to-noise ratio (SNR) > 10 for input pulses with mean photon number of around 1. The high SNR we achieved allowed us to store and recall time-bin qubits with conditional fidelities again higher than that is possible with a measure and prepare strategy. This experiments also represents the first demonstration of a quantum memory for time-bin qubits with on demand read-out of the stored quantum information. The results presented in this thesis fill an important gap in the field of solid-state quantum memories and open the way for the long-lived storage of non-classical states of light. They further strengthen the position of REI based systems in QIS, specifically as nodes in scalable quantum network architectures. / Les memòries quàntiques òptiques (MQs) son un dels elements fonamentals en la ciència de la informació quàntica (CIQ). El seu ús podria ser important en aplicacions relacionades amb la comunicació i la computació quàntiques. Els ions de terres rares (ITRs) han sigut investigats durant dècades per les seves propietats òptiques. Exhibeixen excel·lents propietats de coherència quan es refreden a temperatures criogèniques. Per tant, no es sorprenent que hagin emergit com a candidats per ser usats en la CIQ com a MQs. En aquesta tesis, hem investigat l'emmagatzematge quàntic de qubits fotònics en un cristall de Pr3+:Y2SiO5 (PrYSO) per al seu possible ús en aplicacions relacionades amb xarxes d'informació quàntiques. Vam començar construint el dispositiu experimental i sistemes làser des de zero, ja que el nostre grup de recerca acabava de néixer. Els primers experiments van incloure espectroscòpia del sistema de PrYSO per identificar les transicions electròniques més apropiades per als següents experiments de MQs. En tots els experiments vam utilitzar el protocol de memòria basat en una pinta de freqüències atòmiques (PFA). També vam desenvolupar complexes seqüències de polsos, necessàries per a la preparació òptica d'una PFA. En el primer experiment vam demostrar l'emmagatzematge de qubits fotònics de polarització codificats en estats coherents febles. Aquest emmagatzematge es va dur a terme en els estats excitats dels ions Pr3+ durant un temps d'emmagatzematge predeterminat de 500 ns. Aquesta fita no s'havia assolit abans degut a que l'absorció òptica del material depèn de la polarització llum. Vam aconseguir fidelitats d'emmagatzematge d'un 95% de mitjana les quals sobrepassen el millor valor que es pot aconseguir amb una estratègia de mesura i preparació provant per tant el caràcter quàntic de la nostra interfície. Per poder-se implementar de manera realista en xarxes quàntiques, una MQ hauria de tenir la capacitat de recuperar la informació en-demanda (en el moment que es desitgi). Com a primer pas, el nostre següent experiment va involucrar la transferència dels polsos d'entrada cap a i des de els nivells fonamentals hiperfins i longeus dels ions Pr3+, mitjançant polsos brillants. A més, duent a terme experiments d'interferència, vam demostrar que la coherència es preserva durant els processos d'emmagatzematge, transferència i recuperació. També vam demostrar l'emmagatzematge temporalment multimodal en els estats d'espín, de fins a 5 modes. En l'última part d'aquesta tesis vam demostrar una memòria quàntica d'estat sòlid basada en ones d'espín, amb qubits codificats en estats coherents febles al nivell d'intensitat de fotons individuals. Emmagatzemar i recuperar camps òptics al nivell de fotons individuals en estats fonamentals del sistema PrYSO és exigent perquè els potents polsos de control i el polsos dèbils d'entrada que s'emmagatzemen a la memòria estan separats per només 10.2 MHz. Els polsos de control creen soroll, la majoria consistent en decaïment de lliure inducció, fluorescència i dispersió en les superfícies òptiques. Per resoldre aquest problema vam utilitzar filtratge estret de banda en freqüència i també filtratges temporal i espacial. Utilitzant un filtre estret de banda basat el la crema de forats espectrals en un segon cristall de PrYSO, vam poder aconseguir una relació senyal soroll (RSS) > 10 per a polsos d'entrada amb un número mitjà de fotons al voltant de 1. L'alta RSS que vam aconseguir ens va permetre emmagatzemar i recuperar qubits de inteval-de-temps amb fidelitats condicionals més altes una altra vegada que el que és possible amb l'estratègia de mesura i preparació. Els resultats presentats omplen un buit important en el camp de les memòries quàntiques d'estat sòlid i obren la porta a l'emmagatzematge de llarga durada d'estats de llum no-clàssics. A més, enforteixen la posició dels sistemes de IQ basats en ITR, específicament com a nodes en arquitectures de xarxes quàntiques.

This thesis proposes a method to evaluate and quantify in a precise way the peripheral refraction induced by an ophthalmic lens. The motivation for this work stems from the progression of myopia and its possible causes; two of them are particularly key for this PhD: (a) Peripheral refraction of the eye may have an important role in the progression of myopia and (b) ophthalmic lenses are the compensating element more used in children and teenagers. These two elements fully justify the need for a reliable method to quantify the induced peripheral refraction by an ophthalmic lens. This method is based on two pillars: first, it must accurately assess the design of the ophthalmic lens and, second, it should consider what peripheral refractive pattern is acting, that is, without compensating element. The proposed method takes the advantages provided by the ray tracing strategies used in the classic design of ophthalmic lenses but applying them in parallel with amendments to evaluate the peripheral refraction. Thus, the simple scheme used in the classic design of ophthalmic lenses containing a remote sphere and a small aperture at the center of rotation of the eye becomes a scheme where the retina conjugate surface (RCS) and the nodal point of the eye play equivalent roles. In our case, the reference for ray tracing is the nodal point of the eye and the reference for measuring the induced peripheral refraction is the RCS. Ray tracing is based on a finite ray tracing (FRT) from the image space to the object space and on a generalized ray tracing (GRT) from object space to image space. Both have been implemented in a Matlab program and validated to provide a powerful tool for our purpose. GRT allows a quick and accurate assessment of the oblique astigmatism, ie the tangential and sagittal focal lens, in wide field of view considering accurately the lens design. This considers that each ray has a small wavefront associated traveling perpendicular to it. By GRT we are able to know how the wavefront shape changes when is propagated and refracted. Therefore, it is mandatory to have a locally description of the geometry of both the wavefront and the refractive surface at the point where the ray arrives to the refractive surface. This local description is determined by the normal and by the principal curvatures and directions of these surfaces at the point of interest; they can be obtained from a parametric description of the surface and then using Gaussian fundamental forms. This ray tracing procedure has been developed for the general case of any geometry to the surfaces of the ophthalmic lens and has been detailed for the case of an astigmatic lens. For calculating the induced peripheral refraction, a surface is modeled reflecting the peripheral refractive initial values before entering the lens; this is the aforementioned RCS. Two methods have been proposed to model this RCS. One is based on the trends observed in the different studies and uses three-dimensional surfaces power vectors associated with peripheral refraction. The second method uses experimental measurements obtained along four meridians of the retina to interpolate a surface. The expression of these surfaces by power vectors can easily be combined with the results obtained by tracing rays through the lens for the calculation of the induced peripheral refraction. We present in this manuscript some specific examples of how variations on the lens geometry modified the induced peripheral refraction. This opens up the possibility of custom designs ophthalmic lenses to prevent the progression of myopia. / Esta Tesis tiene como objetivo la propuesta de un método para la evaluación cuantitativa de la refracción periférica inducida en el ojo de un paciente por una lente oftálmica. La motivación del trabajo radica en la importancia de este fenómeno en el progresión de la miopía y sus causas. La existencia de una refracción periférica hipermetrópica se ha relacionado directamente con la progresión de la miopía, y las lentes oftálmicas son el elemento compensador preferenteen niños y adolescentes, los sujetos más relevantes en cuanto al control de la progresión de l amiopía, en sí misma y como antesala d eotros problemas oculares más graves. Hasta la realización de esta Tesis no existía un método preciso, próximo a los métodos convencionales del diseño de lentes oftálmicas, que permitiera el cálculo de la refracción periférica inducida por la lente oftálmica y el análisi de los diseños de lente utilizados. Dicho diseño debe considerar tanto los efectos asociados a a óptica y la geometría del ojo, como al propio diseño de la lente compensadora. El método que se propone sigue una metodologia próxima a la del diseño convencional de lentes oftálmicas, sustituyendo el rol del centro de rotación del ojo por el de su punto nodal, y el rol de la esfera del remoto por lo qque se ha denominado la superfície conjugada de la retina (RCS, de retinal conjugate surface, en el texto). Con este enfoque se han implementado algoritmos detallados de trazado de rayos finito y generalizado que permiten el trazado detallado de rayos en un conjunto de direcciones alrededor de la fóvea. Los algoritmos de trazado generalizado permiten el análisis de lentes oftálmicas de manera más eficiente que el trazado intensivo típico del software de diseño óptico, utilizando el concepto de trazado de frente d eonda, que analiza las deformaciones del frente de onda que acompaña a un rayo principal. Dichos algoritmos se han implementado y validado para un conjunto de lentes oftálmicas de diferentes geometrías en un software científico estándard (Matlab(R)) como parte de los trabajos desarrollados en esta Tesis. Mediante el uso de los algoritmos descritos es posible calcular la superficie refractada que induceuna lente oftálmica. A continuación se hen desarrollado modelos teóricos y experimentales para la RCS que permiten tener en cuanta la variabilidad de patrones de refracción periférica existente, y se ha propuesto el uso de vectores de potencia (M J0 y J45) para el cálculo de la refracción periférica inducida por la lente, mediante la combinación de la superficie refractada por la lente y la modelada para una determinada RCS. Se presentan casos para lentes esféricas, asféricas y astigmáticas, para ojos miopes y emétropes, y en condiciones de infra y sobre refracción, mostrando la potencialidad del método propuesto para diseñar lentes que compensen simultáneamente la refracción foveal y la periférica, que mediante el método propuesto podrán optimizarse simultáneamente.

Entanglement and nonlocal correlations constitute two fundamental resources for quantum information processing, as they allow for novel tasks that are otherwise impossible in a classical scenario. However, their elusive characterization is still a central problem in Quantum Information Theory. The main reason why such a fundamental issue remains a formidable challenge lies in the exponential growth in complexity of the Hilbert space, as well as the space of nonlocal correlations. Physical systems of interest, on the other hand, display symmetries that can be exploited to reduce this complexity, opening the possibility that, for such systems, some of these questions become tractable. This PhD Thesis is dedicated to the study and characterization of entanglement and nonlocal correlations constrained under symmetries. It contains original results in these four threads of research: PPT entanglement in the symmetric states, nonlocality detection in many-body systems, the non-equivalence between entanglement and nonlocality and elemental monogamies of correlations. First, we study PPT entanglement in fully symmetric n-qubit states. We solve the open question on the existence of four-qubit PPT entangled states of these kind, providing constructive examples and methods. Furthermore, we develop criteria for separability, edgeness and the Schmidt number of PPT entangled symmetric states. Geometrically, we focus on the characterization of extremal states of this family and we provide an algorithm to find states with such properties. Second, we study nonlocality in many-body systems. We consider permutationally and translationally invariant Bell inequalities consisting of two-body correlators. These constitute the first tools to detect nonlocality in many-body systems in an experimentally friendly way with our current technology. Furthermore, we show how these Bell inequalities detect nonlocality in physically relevant systems such as ground states of Hamiltonians that naturally arise e.g., in nuclear physics. We provide analytical classes of Bell inequalities and we analytically characterize which states and measurements are best suited for them. We show that the method we introduce can be fully generalized to correlators of any order in any Bell scenario. Finally, we provide some feedback from a more experimental point of view. Third, we demonstrate that entanglement and nonlocality are inequivalent concepts in general; a question that remained open in the multipartite case. We show that the strongest form of entanglement, genuinely multipartite entanglement, does not imply the strongest form of nonlocality, genuinely multipartite nonlocality, in any case. We give a constructive method that, starting from a multipartite genuinely multipartite state admitting a K-local model, extends it to a genuinely multipartite entangled state of any number of parties while preserving the degree of locality. Finally, we show that nonlocal correlations are monogamous in a much stronger sense than the typical one, in which the figure of merit compares a Bell inequality violation between two sets of parties. We show that the amount of Bell violation that a set of parties observes limits the knowledge that any external observer may gain on any of the outcomes of any of the parties performing the Bell experiment. We show that this holds even if such observer is not limited by quantum physics, but it only obeys the no-signalling principle. Apart from its fundamental interest, we show how these stronger monogamy relations boost the performance of some device-independent (DI) protocols such as DI quantum key distribution or DI randomness amplification. / El entrelazamiento y las correlaciones no-locales constituyen dos recursos fundamentales para el procesamiento cuántico de la información, ya que abren la posibilidad de realizar tareas que serían imposibles en el sentido clásico. Sin embargo, su elusiva caracterización aún representa uno de los problemas más importantes en la teoría cuántica de la información. La razón principal por la que una cuestión tan básica sigue siendo un reto formidable subyace en el incremento exponencial de la complejidad del espacio de Hilbert, así como del espacio de las correlaciones no-locales. Por otro lado, los sistemas físicos de interés muestran simetrías que pueden ser aprovechadas para reducir dicha complejidad, abriendo la posibilidad que, para tales sistemas, algunas de esas cuestiones devengan tratables. La presente tesis doctoral está enfocada al estudio de la caracterización del entrelazamiento cuántico y las correlaciones no-locales bajo simetrías. Contiene resultados originales en las siguientes líneas de investigación: entrelazamiento del tipo PPT en estados simétricos, detección de no-localidad en sistemas de muchos cuerpos, la no equivalencia entre el entrelazamiento cuántico y la no-localidad y las correlaciones monogámicas elementales. En primer lugar, estudiamos el entrelazamiento del tipo PPT en estados totalmente simétricos de n bits cuánticos. Resolvemos el problema abierto referente a la existencia de estados PPT entrelazados de cuatro bits cuánticos de este tipo, proporcionando ejemplos y métodos constructivos. Además, desarrollamos criterios de separabilidad, estados frontera y número de Schmidt para estados PPT entrelazados y simétricos. Nos centramos en la caracterización de estados extremos dentro de esta familia y proporcionamos un algoritmo para encontrar estados cuánticos con tales propiedades. En segundo lugar, estudiamos la no-localidad en sistemas de muchos cuerpos. Consideramos desigualdades de Bell, invariantes bajo permutaciones o traslaciones, que involucran correladores entre dos cuerpos como mucho. Dichas desigualdades constituyen los primeros tests de detección de no-localidad en sistemas de muchos cuerpos que son accesibles experimentalmente, con el presente nivel de tecnología. Además, demostramos cómo esas desigualdades de Bell pueden detectar no-localidad en estados físicamente relevantes, como los estados de mínima energía de hamiltonianos que aparecen en física nuclear. Proporcionamos clases analíticas de desigualdades de Bell y caracterizamos, también analíticamente, qué estados y medidas son los más adecuados para ellas. Vemos que el método que introducimos es generalizable a cualquier escenario de Bell. Finalmente, comentamos aspectos de interés desde un punto de vista experimental. En tercer lugar, demostramos que el entrelazamiento y las correlaciones no-locales son conceptos no equivalentes en general, resolviendo un problema que persistía abierto en el caso multipartito. Probamos que la forma más fuerte de entrelazamiento no implica la forma más fuerte de no-localidad en ningún caso. Para ello, damos un método constructivo que, dado un estado cuántico multipartito genuinamente entrelazado que admite un modelo K-local, lo extiende a un estado consistente en un número de subsistemas arbitrario, genuinamente entrelazado, preservando el mismo grado de localidad. Finalmente, demostramos que las correlaciones no-locales son monógamas en un sentido mucho más estricto que el que se considera típicamente. Vemos que la cantidad de violación que un conjunto de observadores mide impone restricciones fundamentales en la información que puede obtener cualquier observador externo, resultado que se mantiene asumiendo sólo la imposibilidad de transmisión instantánea de la información. Demostramos su aplicación en protocolos cuánticos independientes del dispositivo (ID) tales como la distribución cuántica de llaves ID o bien la amplificación de aleatoriedad ID.