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

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

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

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

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

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

Organic photovoltaic (OPV) technology has emerged as a potential cost-effective solution to produce electrical energy. The foreseen low manufacturing costs combined with features as semi-transparency or mechanical flexibility give to OPV devices a strong potential for industrial applicability. However, the commercial implementation of this technology faces the challenge of increasing the relatively low power conversion efficiency of the current state-of-the-art OPV devices. This thesis presents an optical based approach to enhance the performance of OPV devices by effectively controlling sunlight photons. Such control is possible because of the coherent interaction between light and the multilayered structure constituting the OPV device. Accordingly, we studied the dependence of the optical field distribution inside the solar cell relative to the optical properties of the different layers including their refractive index , extinction coefficient , and thickness. This optical study led to the prediction of optimal OPV device structures. The first implementation of a photon control was done by changing the relative thicknesses of the different layers in the device. An optimal combination of thicknesses was found and confirmed experimentally. A significant reduction of the energy lost in the device was demonstrated. As a consequence, the photon harvesting improved, which led to a close matching between the external and internal quantum efficiencies in a broad wavelength range. A second photon control strategy to enhance the performance of OPV cells was implemented by modifying the complex refractive index of the nonactive device layers. Both and were changed in specific layers by considering new materials. Three different cases were considered: in the first example a BCP layer was used to replace calcium as electron transporting layer. The parasitic absorption induced by the highly absorptive calcium layer was diminished almost to zero after replacing this layer with BCP, a material whose extinction coefficient is null for a broad wavelength range. A 19% performance enhancement was demonstrated. In the second example, an ultrathin nickel oxide layer was used to replace the commonly used PEDOT layer as hole transporting layer. Very thin layers of nickel oxide could be used for a better photon distribution and harvesting in the photoactive layer. In the last case, a metallic cupper/nickel semi-transparent electrode was used to replace an ITO electrode. This new metallic electrode in combination with the back aluminum electrode enabled the formation of an optical cavity which resulted in a stronger localization of the field in the active layer. Finally, several of the concepts considered above to effectively localize the field in the active layer were used in conjunction with a photonic structure integrated in the OPV architecture to achieve an optically optimized semi-transparent OPV device. In particular, a one-dimensional non-periodic photonic crystal was designed and added to a semi-transparent OPV device in order to re-harvest UV and IR photons while keeping a high transmission for the visible photons. A power conversion efficiency enhancement larger than 56% was achieved while maintaining the device luminosity around 30%. An additional feature of the integration of such photonic crystal was the possibility of tuning the color transmitted by the device which was also demonstrated. In summary, in this thesis we demonstrate experimentally and theoretically that optics plays a very relevant role for enhancing the power conversion efficiency of OPV devices. The methods presented are perfectly compatible with a more oriented material science approach to achieve the final objective of obtaining a performance-competitive OPV technology. / La tecnología fotovoltaica orgánica (OPV) ha surgido como una solución potencial rentable para producir energía eléctrica. Los bajos costos de manufactura previstos combinados con propiedades como semi-transparencia o flexibilidad mecánica le dan a los dispositivos OPV un gran potencial de ser aplicados industrialmente. Sin embargo, la implementación comercial de esta tecnología se enfrenta al reto de incrementar la relativamente baja eficiencia de los dispositivos OPV del estado del arte. Esta tesis presenta una aproximación óptica para aumentar la eficiencia de los dispositivos OPV mediante un control efectivo de los fotones de la radiación solar. Tal control es posible debido a la interacción coherente entre la luz y la estructura de multi-capas que constituye el dispositivo OPV. Consecuentemente, en esta tesis se estudia la dependencia de la distribución del campo óptico dentro de la celda solar con las propiedades ópticas de las diferentes capas. Entre esas propiedades se incluyen el índice de refracción , el coeficiente de extinción y espesor de cada una de las capas. Este estudio óptico ha permitido predecir estructuras óptimas para los dispositivos OPV. La primera implementación del control de fotones fue hecha al cambiar los espesores relativos de las diferentes capas en el dispositivo. Una combinación óptima fue encontrada y confirmada experimentalmente. Una reducción significativa de la energía perdida por reflexión especular fue demostrada y como consecuencia, la recolección de fotones fue mejorada lo cual condujo a la concordancia entre las eficiencias cuánticas externa e internas en un amplio rango de longitudes de onda. Una segunda estrategia de control de fotones para mejorar el desempeño de los dispositivos OPV fue implementada tras modificar las propiedades ópticas de las capas en el dispositivo distintas a la capa activa. Tanto como fueron cambiados en capas específicas tras considerar nuevos materiales. Tres casos diferentes fueron considerados: en el primer caso, una capa de BCP fue usada para reemplazar el calcio como capa transportadora de electrones. La absorción parásita inducida por el elvevado coeficiente de extinción de la capa de calcio fue reducida casi hasta cero tras reemplazar esta capa con una de BCP, un material cuyo coeficiente de absorción es prácticamente cero para un amplio rango de longitudes de onda. Se demostró un aumento en el desempeño de los dispositivos de hasta el 19%. En el segundo ejemplo, una capa ultra-delgada de óxido de níquel fue usada para reemplazar la comúnmente empelada capa de PEDOT como capa transportadora de huecos. Estas capas de óxido de níquel permitieron una mejor distribución y recolección de fotones en la capa foto-activa. En el último caso, un electrodo semi-transparente hecho de cobre/níquel fue usado para reemplazar un electrodo de ITO. Este nuevo electrodo metálico en combinación con el electrodo de aluminio posterior del dispositivo permitió la formación de una cavidad óptica la cual resultó en una mayor localización del campo en la capa activa. Finalmente, varios de los conceptos considerados anteriormente para localizar efectivamente el campo en la capa activa fueron usados en combinación con una estructura fotónica integrada en la estructura para obtener un dispositivo OPV semitransparente ópticamente optimizado. Concretamente, un cristal fotónico unodimensional no-periódico fue diseñado y añadido al dispositivo OPV semi-trasparente con la intención de recolectar fotones UV e IR y al tiempo manteniendo una alta transmisión de los fotones visibles. Una mejora en el desempeño de los dispositivos superior al 56% fue obtenida preservando la luminosidad del dispositivo alrededor del 30%. Una propiedad adicional aportada por la integración de tales cristales fotónicos fue la posibilidad de modular el color transmitido por el dispositivo lo cual fue también demostrado. En síntesis, en esta tesis se demostró experimental y teóricamente que la óptica juega un papel relevante para aumentar la eficiencia de los dispositivos OPV. Los métodos presentados son perfectamente compatibles con la aproximación que se realiza desde la perspectiva de la ciencia de los materiales al objetivo final de obtener una tecnología OPV competitiva.

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Institut de Recerca en Energia de Catalunya. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar, prèvia petició, a l'Arxiu de la UPC / This dissertation is divided in two parts: The first one deal with two main characteristics of the light sources for general lighting: Color quality and luminous efficacy. The second one deals with technical aspects of the mesopic photometry applied in street lighting. The first part begins by proposing a method to generate a new color rendering index, consisting of a three-dimensional visual index, which was named 3D-CRM. In order to illustrate the use of this method and index, three examples of lighting application were performed: Artwork, meat and fruit. The results show the goodness of the visual index 3D-CRM, that is also accompanied by a numeric index that indicates how the light source tested fits with the gamut of colors required by the specific lighting application. Complementing the preceding proposal, a statistical analysis was performed in order to define the parameters that make up the color quality of light sources. This statistical study was based on a collection of more than 100 real and ideal spectra of light sources. As a result, it was found that there is another variable that can complement the CRI index to indicate the color quality. This is the proposed index Oc (Optimal Color), which is based on the calculation of volumes generated with the spectrum of test source and several ideal spectra of reflectance to get optimal colors (high saturated colors) at different luminance levels. This fisrt part of the dissertation ends by proposing an index to generate a classification of light sources according to the requirements of the lighting application and the parameters such as correlated color temperature (CCT), luminous efficacy of radiation (LER) and color quality (CQ). It was demonstrated that the new proposed index called ECQ (Efficacy and Color Quality), is able to generate a useful ranking when assessing a collection of spectra, by giving a desired CCT and the weight that efficacy and color quality have in the lighting application studied. By using some examples of different lighting applications (i.e. different weights for color quality and efficacy) it was demonstrated how versatile and useful the ECQ index is. In the second part of this dissertation, a comparison of laboratory measurements between two different types of goniophotometers is made. The first one is a standard and photometer-based one, which uses the far-field for measurement. The second one has a more recent technology, uses a CCD camera and photometer as sensors, as well as the near field for measurement. This comparison exercise validates the measurements from the near-field goniophotometer, since up to moment, for this type of measurement and type of sensor (CCD camera), there are no laboratories with international traceability that can verify or calibrate this measurement system. The comparison exercise shows that there is a very good fit between both measures performed to standard light bulbs; therefore results of the near-field goniophotometer are validated. In recent measures performed at the Light and lighting laboratory of K.U. Leuven in Ghent, it was found that near field goniophotometer has a reduced luminous intensity dynamic range, for this reason exists an error measuring low luminous intensities in a luminarie with a sharp LID such as PAR30 Spot light bulb. After that, some aspects of the Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance, CIE191:2010 are analysed. Finally it is presented a proposal of a new metrics called Energy Consumption Index (Qsa) intended to assessing possible energy savings on street lighting systems. In this chapter, by using the Energy Consumption Index an evaluation of three different hypothetical scenarios for a typical city is performed to demonstrate how flexible and intuitive this index is. These scenarios assess different characteristics of the light system such as light sources types, dimming systems and also the use of photopic and mesopic photometry. / Esta tesis se divide en dos partes: La primera trata con dos características principales de las fuentes de luz para la iluminación general: la calidad del color y de eficacia luminosa. El segundo se ocupa de los aspectos técnicos de la fotometría mesópica aplicada en el alumbrado público. La primera parte comienza proponiendo un procedimiento para generar un nuevo índice de rendimiento de color, que consiste en un índice visual tridimensional, llamado 3D-CRM. Con el fin de ilustrar el uso de este índice, se realizaron tres ejemplos de aplicación de iluminación: Arte, carnes y frutas. Los resultados muestran la bondad del índice visual 3D-CRM, que también se acompaña de un índice numérico que indica que tan bien una fuente de luz bajo prueba repolores la gama de colores para una aplicación de iluminación específica. Como complemento de la propuesta anterior, se realizó un análisis estadístico con el fin de definir los parámetros que componen la calidad de color de fuentes de luz. Este estudio estadístico se basa en una colección de más de 100 espectros reales e ideales de fuentes de luz. Como resultado, se encontró que hay otra variable que puede complementar el índice CRI para indicar la calidad del color. Este es el índice propuesto Oc (óptima del color), que se basa en el cálculo de los volúmenes generados con el espectro de la fuente de prueba y varios espectros ideal de reflectancia para obtener colores óptimos (colores de alta saturación) a diferentes niveles de luminancia. Esta primera parte termina proponiendo un índice para generar una clasificación de las fuentes de luz de acuerdo con los requisitos de la aplicación de iluminación y los parámetros tales como la temperatura de color correlacionada (CCT), la eficacia lumínica de radiación (LER) y la calidad de color (CQ ). Se demostró que el nuevo índice propuesto llamada ECQ (eficacia y calidad del color), es capaz de generar una clasificación útil en la evaluación de una colección de espectros, dando un CCT deseado y el peso que la eficacia y la calidad del color tienen en la aplicación de iluminación estudiado . Mediante el uso de algunos ejemplos de diferentes aplicaciones de iluminación (es decir, diferentes pesos para la calidad del color y la eficacia lumínica) se demostró la versatilidad y utilidad de este indicador. En la segunda parte de esta tesis, se hace una comparación de mediciones de laboratorio entre dos tipos diferentes de Goniofotómetros. El primero es uno estándar basada en el fotómetro, que utiliza el campo lejano para la medición. El segundo tiene una tecnología más reciente, utiliza una cámara CCD y fotómetro como sensores, así como el campo cercano para la medición. Este ejercicio de comparación valida las mediciones de la goniofotómetro de campo cercano, ya que hasta el momento, para este tipo de medición y el tipo de sensor (cámara CCD), no hay laboratorios con trazabilidad internacional que puede verificar o calibrar este sistema de medición. El ejercicio de comparación muestra que hay un muy buen ajuste entre las dos medidas realizadas a las bombillas estándar; Por lo tanto, los resultados del Goniofotómetro de campo cercano se validan. En recientes medidas realizadas en el laboratorio de luz e iluminación de K.U. Lovaina en Gante, se encontró que Goniofotómetro de campo cercano tiene un rango dinámico limitado para medición de intensidad luminosa, por esta razón existe un error de medición de bajas intensidades luminosas en una luminaria con una distribución aguda como por ejemplo un proyector de luz. Posteriormente se analizan, algunos aspectos del sistema recomendado para fotometría mesópica basado en el rendimiento visual, CIE191: 2010. Por último se presenta una propuesta de una nueva métrica llamada Índice de Consumo de Energía (Qsa) destinado a evaluar los posibles ahorros de energía en los sistemas de alumbrado público

Tesi per compendi de publicacions / Medical digital imaging has become a key element of modern health care procedures. It provides a visual documentation, a permanent record for the patients, and most importantly the ability to extract information about many diseases. Ophthalmology is a field that is heavily dependent on the analysis of digital images because they can aid in establishing an early diagnosis even before the first symptoms appear. This dissertation contributes to the digital analysis of such images and the problems that arise along the imaging pipeline, a field that is commonly referred to as retinal image analysis. We have dealt with and proposed solutions to problems that arise in retinal image acquisition and longitudinal monitoring of retinal disease evolution. Specifically, non-uniform illumination, poor image quality, automated focusing, and multichannel analysis. However, there are many unavoidable situations in which images of poor quality, like blurred retinal images because of aberrations in the eye, are acquired. To address this problem we have proposed two approaches for blind deconvolution of blurred retinal images. In the first approach, we consider the blur to be space-invariant and later in the second approach we extend the work and propose a more general space-variant scheme. For the development of the algorithms we have built preprocessing solutions that have enabled the extraction of retinal features of medical relevancy, like the segmentation of the optic disc and the detection and visualization of longitudinal structural changes in the retina. Encouraging experimental results carried out on real retinal images coming from the clinical setting demonstrate the applicability of our proposed solutions.