Tesi per compendi de publicacions. 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 / Common beans (Phaseolus vulagaris L.) are one of the most consumed and produced legumes in the world. Its high protein content makes it a high nutritional value product. As a result of its wide diversity, there are thousands of them conserved in seed banks and plant breeding centers. Chemical and sensory evaluations are necessary for their characterization and inclusion in plants breeding programs. Chemical analysis and sensory panels are time-consuming protocols and often require regents, which make them unsuitable for analysis of large amount of sample. Spectroscopy techniques are well-established nondestructible methods with a minimum sample preparation for determining the chemical components and sensory traits of foods. These techniques are suitable for managing a large volume of samples, because spectrum collection takes less than a minute. The main objective of this thesis is to develop regression models to correlate IR spectra with chemical composition and sensory traits. This thesis is composed of three publications in indexed journals, in which the main results are: i) For proper prediction of the chemical composition in common beans seed-coat, this seed-coat has to be removed from the cotyledon and ground to obtain a homogenous IR spectra; ii) Calcium, ash, dietary fiber values of the seed-coat can be predicted using NIR models; iii) It is possible to predict protein, starch, and total amylose using IR technology, moreover, the best models are obtained by the benchtop FT-NIR; iv) Nowadays, portable IR technology is almost at the same level as the benchtop instruments in terms of goodness of fit in prediction models; v) IR spectrum of the sample has a big impact in the developed models, so, it is necessary to cook , dry and ground the beans before registering the spectra; vi) It is not possible to predict aroma and seed-coat perception using NIR; vii) Finally, it is possible to integrate IR technology in common beans plants breeding and selection programs to analyze chemical composition and sensory trait. / La mongeta seca (Phaseolus vulgaris L.) és una de les lleguminoses de gra més consumides i produïdes arreu del món i amb un alt valor nutricional degut al seu elevat contingut proteic. La seva gran diversitat fa que existeixen milers d’entrades conservades en els bancs de llavors i centres de millora vegetal. L’avaluació química i sensorial d’aquestes entrades donaria informació molt valuosa per a programes de millora vegetal, però requereixen processos llargs i laboriosos que els fan poc apropiats quan cal caracteritzar un gran nombre de mostres. L’espectroscòpia d’infraroig pot ser una alternativa ja que, l’espectre de la mostra, que es reagistra en pocs segons i que necessita un mínim pretractament de la mostra, podria donar una estimació dels caràcters químics i sensorials. L’objectiu principal d’aquesta tesi és, doncs, obtenir models que permetin correlacionar l’espectre en l’infraroig amb els atributs sensorial de la mongeta i amb el contingut d'aquells components químics que semblen influir en aquests atributs. La tesi s’articula en tres treballs: l'anàlisi química de la pell de la mongeta (fibra dietètica, àcids urònics, cendres, calci i magnesi), l'anàlisi química del cotiledó (proteïna, midó, amilosa) i els atributs sensorials de la mongeta (aroma, gust, farinositat, percepció, rugositat i brillantor de la pell). Els principals resultats són: i) Per a la correcte predicció de la composició química de la pell, aquesta ha de ser separada de cotiledó i molturada a fi d’obtenir una mostra suficientment homogènia; ii) El contingut en calci, cendres i fibra diatètica de la pell de la mongeta es pot predir utilitzant l’espectre NIR; iii) Es possible obtenir models per a la predicció de proteïna, midó i amilosa utilitzant varies tecnologies IR, essent els millors models el obtinguts amb FT-NIR; iv) Els resultats obtinguts amb equips d'IR portàtils i els seus homòlegs de sobretaula tenen bondats similars ; v) Per a la correcta predicció dels atributs sensorial és necessari coure, deshidratar i molturar la mongeta abans d’obtenir l’espectre; vi) els espectres NIR van permetre estimar el gust, farinositat, brillantor de la pell i rugositat de la pell de la mongeta valorats per un panel de tastador però no l’aroma i la percepció de la pell; vii) Finalment, es possible utilitzar la tecnologia IR, sent una eina molt valuosa per a la caracterització de col·leccions molt nombroses de mostres, per la selecció i la millora.

Tesi realitzada en co-tutela (Universität des Saarlandes i Universitat Politècnica de Catalunya) / One promising approach for future quantum networks is the combination of strings of trapped ions as quantum-information processors with entangled photon pairs produced by spontaneous parametric down conversion (SPDC) to establish quantum communication links between distant processing units. This work reports on experiments using a hybrid quantum-optics set-up, comprising two separate linear ion traps and a resonant SPDC photon-pair source. It demonstrates the controlled interaction of single entangled photon pairs with a single trapped 40Ca+ ion. Preparing the ion as polarization selective absorber in the main polarization bases allows for the reconstruction of the biphoton quantum state, manifesting the photon entanglement in the absorption process. Beyond that, the thesis documents the implementation of additional experimental tools enabling quantum state transfer experiments from photons to single ions. A dedicated narrowbandwidth laser system is set up, laser sequences are developed for state discrimination and state rotations of ion qubits, and for the creation and characterization of coherent superposition states, of particular importance for state-transfer schemes. Finally, detection efficiencies of single Raman photons emitted by an ion are characterized with a well controlled single-photon source, and absorption probabilities of single photons are determined with a calibrated laser beam, providing precise values to assess efficiencies for different transfer scenarios. / Un enfoque prometedor para futuras redes cuánticas es la combinación de iones atrapados con pares de fotones entrelazados que se generan por el proceso SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion). Los iones atrapados se utilizarán como procesadores de información cuántica. Los pares de fotones permitirán el establecimiento de enlaces de comunicación cuántica entre unidades de procesamiento distantes. En el transcurso de este trabajo, que se situa en el marco de la óptica cuántica, se han combinado dos implementaciones experimentales independientes para la realización de un experimento híbrido. Las dos partes del experimento corresponden con dos trampas de iones lineales separadas y con una fuente de pares de fotones resonantes creados por SPDC. En este experimento se demuestra la interacción controlada de pares de fotones individuales entrelazados con un ión atrapado individual de 40Ca+. La preparación del ión como absorbente selectivo de polarización en las bases de polarización principales permite la reconstrucción del estado cuántico de los pares de fotones, manifestando así su entrelazamiento a través del proceso de absorción. Además, en la tesis presente se documenta la implementación de herramientas experimentales adicionales que permitirán experimentos de transferencia de estados cuánticos de fotones a iones individuales. Así mismo, se describe el montaje de un sistema láser acondicionado con ancho de banda estrecho. Adicionalmente, se desarrollan secuencias de láser para la discriminación y la rotación de estados de qubits de iones y, para la creación y caracterización de estados de superposición coherente, especialmente importantes para varios esquemas de transferencia de estado. Por último, se caracterizan las eficiencias de detección de fotones individuales Raman emitidos por un ión con una fuente de fotones individuales bien controlada, así como también se determinan las probabilidades de absorción de fotones individuales con una fuente láser calibrada. Los valores precisos obtenidos servirán para la evaluación de la eficiencia de diferentes esquemas de transferencia. / Ein mögliches System für zukünftige Quantennetzwerke ist die Verknüpfung gefangener Ionen als Quanteninformationsprozessoren mit durch SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion) erzeugten verschränkten Photonenpaaren zum Aufbau von Quantenkommunikationskanälen. Diese Dissertation behandelt Experimente an einem hybriden Quantenoptikaufbau, bestehend aus zwei separaten linearen Ionenfallen und einer SPDC-Photonenpaarquelle. Sie zeigt die kontrollierte Wechselwirkung einzelner verschränkter Photonenpaare mit einem einzelnen 40Ca+ Ion. Durch Präparation des Ions als polarisationsselektiven Absorber in den drei Hauptpolarisationsbasen, wird der Zwei-Photonen-Quantenzustand rekonstruiert und somit über den Absorptionsprozess die Verschränkung der Photonenpaare nachgewiesen. Überdies dokumentiert die Arbeit die Einrichtung zusätzlicher Methoden, welche den Zustandstransfer von Photonen auf einzelne Ionen ermöglichen. Ein schmalbandiges Lasersystem wird aufgebaut, Lasersequenzen für Zustandsbestimmung und Zustandsrotationen von Ionen-Qubits und zur Erzeugung und Charakterisierung kohärenter Superpositionszustände werden entwickelt. Ferner werden mit Hilfe einer Einzelphotonenquelle Nachweiseffizienzen für einzelne, von einem Ion erzeugte, Raman-Photonen gemessen und Absorptionseffizienzen einzelner Photonen mit einer kalibrierten Laserquelle charakterisiert. Die ermittelten Werte bilden eine solide Grundlage zur Abschätzung von Erfolgswahrscheinlichkeiten geplanter Transferschemata.

In this manuscript we present an experimental and theoretical investigation of quantum-noise-limited measurement by nonlinear interferometry, or from another perspective, quantum-noise-limited interaction-based measurement. The experimental work is performed using a polarization-based quantum interface between propagating light pulses and cold rubidium-87 atoms trapped in an optical dipole trap. We first review the theory of quantum metrology and estimation theory, and we describe theoretical proposals for nonlinear quantum metrology as developed by the group of Carlton M. Caves in the University of New Mexico. We then describe our proposal, made in 2010, to implement the Caves group's ideas using nonlinear optical interactions in a cold atomic ensemble to implement a nonlinear spin measurement. To evaluate this proposal we develop two theoretical approaches, first an extension of the collective quantum variables approach, often employed to describe quantum interfaces and atomic spin ensembles, to nonlinear optical processes. This results in an effective Hamiltonian containing nonlinear terms of the form described by the Caves group, and demonstrates a qualitative equivalence of the two schemes. The second approach uses the Maxwell-Bloch equations to describe nonlinear propagation of pulses through an atomic spin ensemble, including inhomogeneities and relaxation effects. This latter method makes quantitative predictions about optical rotation signals under realistic experimental conditions. We then describe the implementation of the proposal in a polarization-based light-atom quantum interface. We describe the existing trapping and probing system, focusing on the characteristics that make it suitable for shot-noise-limited and projection-noise-limited atomic spin measurements. We then describe adaptations to use the apparatus with shorter, higher-intensity pulses as required for nonlinear measurement, as well as characterization of the photodetection system under these modified conditions. Calibration of the nonlinear polarization rotation versus probe laser detuning allows us to produce a nearly pure nonlinear rotation signal. Finally, experimental results are presented showing shot-noise-limited nonlinear rotation signals over three orders of magnitude in photon number N. The results are consistent with our theoretical models and confirm a major prediction of the Caves group's work, in that a two-photon interaction gives a scaling for the measurement sensitivity as N^{-3/2}. A brief discussion relates this experimental observation to theoretical discussions of the ¿Heiseinberg limit¿ of quantum metrology, and possible further applications of nonlinear measurement techniques. / En aquest manuscrit presentem una recerca experimental i teòrica sobre mesures limitades pel soroll quàntic fetes mitjançant interferometria no lineal, o des de un altra perspectiva, mitjançant interacció. En el treball experimental es va fer servir una interfície quàntica de polarització entre polsos de llum en propagació i àtoms freds de rubidi-87 atrapats en una trampa òptica de dipol. Primer, farem un repàs de la teoria de la metrologia quàntica i de la teoria de la estimació, descriurem la proposició teòrica sobre metrologia quàntica no lineal tal i com la va desenvolupar el grup de Carlton M. Caves al Universitat de Nou Mèxic. A continuació descriurem la nostra proposta, feta al 2010, de com implantar la idea del grup de Caves fent servir interaccions òptiques no lineals en un conjunt d’àtoms freds amb la finalitat d’efectuar una mesura no lineal de spin. Per avaluar aquesta proposta vam desenvolupar dues aproximacions teòriques fent ús de dos mètodes diferents. En primer lloc vam estendre la tècnica de variables quàntiques col lectives cap als processos òptics no lineals, aquesta tècnica sovint és utilitzada per descriure interfícies quàntiques i conjunts de spin atòmics. Això dóna com a resultat un Hamiltonià efectiu que conté termes no lineals de la forma descrita pel grup de Caves, i demostra una equivalència qualitativa entre el nostre esquema i el seu. El segon mètode fa ús de les equacions de Maxwell-Bloch per descriure la propagació no lineal dels polsos a través del conjunt de spins atòmics, tenint en compte deshomogeneïtats i efectes de relaxació. D’aquesta manera podem fer prediccions quantitatives sobre senyals de rotació de polarització òptica en les condicions d’un experiment real. Seguirem amb la descripció de com vam implementar al laboratori la nostra proposta teòrica mitjançant una interfície quàntica de polarització entre llum i àtoms. Descriurem el ja existent sistema de confinament i sondeig dels àtoms, concentrant-nos en les característiques que permeten fer mesures al limit del soroll quàntic i del soroll de projecció. Aleshores detallarem com vam adaptar el sistema per l’ús amb polsos més curts i intensos, tal i com requereix la mesura no lineal, i al mateix temps com vam calibrar el sistema de detecció de llum en aquestes diferents condicions. El calibratge de la rotació no lineal de polarització en funció de la freqüència del làser de sonda, ens permet obtenir un senyal de rotació casi purament no lineal. Finalment, presentarem els resultats experimentals que mostren senyals de rotació no lineal limitats pel soroll quàntic al llarg de tres ordres de magnitud en el número N de fotons. Tals resultats son consistents amb els nostres models teòrics i confirmen una important predicció del treball del grup de Caves, és a dir que la interacció de dos fotons dóna una llei d’escala de N-3/2 per a la sensibilitat de la mesura. Per concloure, una concisa discussió relaciona aquesta observació experimental amb discussions teòriques sobre el “limit d’Heisenberg” de la metrologia quàntica, i amb d’altres possibles aplicacions de tècniques de mesura no lineal

Among the laser based techniques proposed for metrology applications, classical interferometers offer the highest precision measurements. However, the cost of some of the elements involved and the number of optical components used in the setup complicates using them in several industrial applications. Apart from cost, the complexities due to optical alignment and the required quality of the environmental conditions can be quite restrictive for those systems. Within the category of optical interferometers, optical feedback interferometry (OFI), also called self-mixing interferometry (SMI) has the potential to overcome some of the complexities of classical interferometry. It is compact in size, cost effective, robust, self-aligned, and it doesn't require a large number of optical components in the experimental configuration. In OFI, a portion of the emitted laser beam re-enters to the laser cavity after backreflection from the target, causing the wavelength of the laser to change, modifying the power spectrum and consequently the emitted output power, which can be detected for measurement purposes. Thus, the laser operates simultaneously as the light source, the light detector, and as the ultra-sensitive coherent sensor for optical path changes. The present PhD pursued improving the performance of OFI-based sensors using a novel and compact optical system. A solution using an adaptive optical element in the form of a voltage programmable liquid lens was proposed for automated focus adjustments. The amount of backreflected light re-entering the laser cavity could be controlled, and the laser feedback level was adjusted to the best condition in different situations, enabling the power signal to be adjusted to the best possible conditions for measurement. Feedback control enabled the proposal of a novel solution called differential OFI, which improved the measurement resolution down to the nanometre order, even if the displacements were below half-wavelength of the laser, for first time in OFI sensors. Another relevant part of the PhD was devoted to the analysis of speckle-affected optical power signals in feedback interferometers. Speckle effect appears when the displacements of the target are large, and introduces an undesired modulation of the amplitude of the signal. After an analysis of the speckle-affected signal and the main factors contributing to it, two novel solutions were proposed for the control of speckle noise. The adaptive optical head developed previously was used in a real time setup to control the presence of speckle effect, by tracking the signal to noise ratio of the emitted power, and modifying the spot size on the target when required using a feedback loop. Besides, a sensor diversity solution was proposed to enable enhancements in signal detection in fast targets, when real time control could not be applied. Finally, two industrial applications of the technique with the presence of different levels of speckle noise have been presented. A complete measurement methodology for the control of motor shaft runout in permanent magnet electrical motors, enabling complete monitoring of the displacement of the shaft has been developed and implemented in practice. Results here are validated with those obtained using a commercial laser Doppler vibrometer, an equipment with a much higher cost. A second application in the monitoring the displacement of polymer-reinforced beams used in civil engineering under dynamic loading was also demonstrated. Results here are validated using a conventional contact probe (a Linear Vertical Differential Transducer, LVDT). Both applications show that with controlled speckle features OFI performs adequately in industrial environments as a non-contact proximity probe with resolution limited by the constraints defined by the setup

In this thesis I investigate two methods for generating ultrashort laser pulses in spectral regions which are ordinarily difficult to achieve by the existing techniques. These pulses are specially attractive in the study of ultrafast (few femtosecond) atomic and molecular dynamics. The first involves Optical Parametric Amplification (OPA) mediated by four-wave-mixing in gas and supports the generation of ultrashort pulses in the Near-InfraRed (NIR) to the Mid-InfraRed (MIR) spectral region. By combining pulses at a centre wavelength of 800 nm and their second harmonic in an argon-filled hollow-core fibre, we demonstrate near-infrared pulses, peaked at 1.4 µm, with 5 µJ energy and 45 fs duration at the fibre output. The four-wave-mixing process involved in the OPA is expected to lead carrier-envelope phase stable pulses which is of great importance for applications in extreme nonlinear optics. These NIR to MIR pulses can be used directly for nonlinear light-matter interactions making use of its long-wavelength characteristics. The second method allows the compression of intense femtosecond pulses in the ultraviolet (UV) region by sum-frequency mixing two bandwidth limited NIR pulses in a noncollinear phasematching geometry under particular conditions of group-velocity mismatch. Specifically, the crystal has to be chosen such that the group velocities of the NIR pump pulses, v1 and v2 , and of the sum-frequency generated pulse, vSF, meet the following condition, v1 < vSF < v2. In case of strong energy exchange and an appropriate pre-delay between the pump waves, the leading edge of the faster pump pulse and the trailing edge of the slower one are depleted. This way the temporal overlap region of the pump pulses remains narrow resulting in the shortening of the upconverted pulse. The noncollinear beam geometry allows to control the relative group velocities while maintaining the phasematching condition. To ensure parallel wavefronts inside the crystal and that the sum-frequency generated pulses emerge untilted, pre-compensation of the NIR pulse-front tilts is essential. I show that these pulse-front tilts can be achieved using a very compact setup based on transmission gratings and a more complex setup based on prisms combined with telescopes. UV pulses as short as 32 fs (25 fs) have been generated by noncollinear nonlinear pulse compression in a type II phasematching BBO crystal, starting with NIR pulses of 74 fs (46 fs) duration. This is of interest, because there is no crystal that can be used for nonlinear pulse compression at wavelengths near 800 nm in a collinear geometry. Compared to state-of-the-art compression techniques based on self-phase modulation, pulse compression by sum-frequency generation is free of aperture limitation, and thus scalable in energy. Such femtosecond pulses in the visible and in the ultraviolet are strongly desired for studying ultrafast dynamics of a variety of (bio)molecular systems. / En esta tesis he investigado dos métodos para generar pulsos láser ultracortos en regiones espectrales que son típicamente difíciles de lograr con las técnicas existentes. Estos pulsos son especialmente atractivos en el estudio de la dinámica ultrarrápida (pocos femtosegundos) en átomos y moléculas. La primera técnica implica Amplificación Paramétrica Óptica (OPA) mediante mezcla de cuatro ondas en fase gaseosa y soporta la generación de pulsos ultracortos desde el Infrarrojo-Cercano (NIR) hasta la región espectral del Infrarrojo-Medio (MIR). Mediante la combinación de pulsos centrados a una longitud de onda de 800 nm y su segundo armónico en una fibra hueca rellena de argón, hemos demostrado a la salida de la fibra la generación de pulsos en el NIR, centrados a 1.4 µm, con 5 µJ de energía y 45 fs de duración. Se espera que el proceso de mezcla de cuatro ondas involucrado en el OPA lleve a pulsos con fase de la envolvente de la portadora estables, ya que es de gran importancia para aplicaciones en óptica extrema no lineal. Estos pulsos desde el NIR hasta el MIR se pueden utilizar directamente en interacciones no-lineales materia-radiación, haciendo uso de sus características de longitud de onda largas. El segundo método permite la compresión de pulsos intensos de femtosegundos en la región del ultravioleta (UV) mediante la mezcla de suma de frecuencias de dos pulsos en el NIR limitados en el ancho de banda en una geometría de ajuste de fases no-colineal bajo condiciones particulares de discrepancia de velocidades de grupo. Específicamente, el cristal debe ser elegido de tal manera que las velocidades de grupo de los pulsos de bombeo del NIR, v1 y v2, y la del pulso suma-de-frecuencias generado, vSF, cumplan la siguiente condición, v1 < vSF < v2. En el caso de un fuerte intercambio de energía y un pre-retardo adecuado entre las ondas de bombeo, el borde delantero del pulso de bombeo más rápido y el borde trasero del más lento se agotan. De esta manera la región de solapamiento temporal de los impulsos de bombeo permanece estrecha, resultando en el acortamiento del impulso generado. La geometría de haces no-colineales permite controlar las velocidades de grupo relativas mientras mantiene la condición de ajuste de fase. Para asegurar frentes de onda paralelos dentro del cristal y que los pulsos generados por suma de frecuencias se generen sin inclinación, es esencial la pre-compensación de la inclinación de los frente de onda de los pulsos NIR. En esta tesis se muestra que estas inclinaciones de los frentes de onda se pueden lograr utilizando una configuración muy compacta basada en rejillas de transmisión y una configuración más compleja basada en prismas combinados con telescopios. Pulsos en el UV tan cortos como 32 fs (25 fs) se han generado mediante compresión de pulsos no-lineal no-colineal en un cristal BBO de ajuste de fase tipo II, comenzando con pulsos en el NIR de 74 fs (46 fs) de duración. El interés de este método radica en la inexistencia de cristales que se puedan utilizar para la compresión de impulsos no-lineal a longitudes de onda entorno a 800 nm en una geometría colineal. En comparación con las técnicas de última generación de compresión basadas en la automodulación de fase, la compresión de pulsos por suma de frecuencias esta libre de restricciones en la apertura de los pulsos, y por lo tanto es expandible en energía. Tales pulsos de femtosegundos en el visible y en el ultravioleta son fuertemente deseados en el estudio de dinámica ultrarrápida de una gran variedad de sistemas (bio)moleculares.

Cotutela ICFO-Universitat Politècnica de Catalunya i Institut Fresnel-Université Aix-Marseille / Blood flow and its regulation, as well as hemodynamics in general, are important for the health of tissues and hence the measurement of these quantities has many applications in research and clinical environments. Various optical techniques are attractive for the measurement of blood flow since they are often non- or minimally-invasive, continuous and are relatively inexpensive. During my PhD I have contributed to the monitoring of blood flow in experimental animal models with the construction of a multimodal device, based on laser speckle flowmetry and optical intrinsic signals, capable of measuring superficial microvascular cerebral blood flow, blood oxygenation and blood volume for translational research. This device was applied in animal models of ischemic stroke and is flexible to be modified and used for other purposes. In doing so, I have developed new experimental methods and image processing protocols that allowed us to perform longitudinal studies where the animal can be removed from the device several times. Furthermore, this device has been used as a tool in a multi-disciplinary study to understand the role of the Mannose-binding lectin protein in reperfusion injury after an ischemic stroke in animal models. This then led to the main contribution of this work which is the development of the speckle contrast optical spectroscopy and tomography, a new non-invasive, optical technique for deep blood flow measurement that paves the way for deeper and three dimensional imaging of blood flow. This new method was first developed from a theoretical perspective. Then it was validated in tissue simulating phantoms and demonstrated to be feasible in measurements on the human arm muscle. Overall, these contributions will allow the development of cost-effective, non-invasive tomographic methods for the measurement of blood flow even in humans. / El flujo sanguíneo y su regulación, así como la hemodinámica en general, son parámetros importantes para determinar el estado de salud de los tejidos; por esto, su medición tiene numerosas aplicaciones en los ámbitos clínico y de investigación. Varias técnicas ópticas resultan atractivas para la medición del flujo sanguíneo dado su carácter no invasivo o mínimamente invasivo, continuo y relativamente económico. Durante mi trabajo doctoral he contribuido a la monitorización del flujo sanguíneo, en modelos de experimentación animal, con la construcción de un dispositivo multimodo, basado en la flujometría de speckle láser (laser speckle flowmetry, LSF) y las señales ópticas intrínsicas (optical intrinsic signals, OIS), capaz de medir flujo sanguíneo de la microvasculatura superficial en el cerebro, oxigenación sanguínea y volumen sanguíneo en investigación traslacional. Este dispositivo fue aplicado en modelos animales de infarto cerebral; sin embargo, es flexible y puede ser modificado y utilizado para otros propósitos. Así pues, he desarrollado nuevos métodos experimentales y protocolos de procesamiento de imágenes que nos permitieron llevar a cabo estudios longitudinales, donde los animales pueden ser removidos del dispositivo en repetidas ocasiones. Adicionalmente, este dispositivo fue utilizado como herramienta en un estudio multidisciplinario para entender el papel de la proteína lectina de unión a la manosa (MBL) en las lesiones por isquemia-reperfusión después de un infarto cerebral en modelos animales. Este estudio, dio origen a la mayor contribución de este trabajo, siendo esta el desarrollo de la espectroscopía y tomografía óptica de contraste de speckle; una novedosa técnica óptica, no invasiva para medición de flujo sanguíneo profundo que allana el camino para la obtención de imágenes tridimensionales de flujo sanguíneo más profundo. Este nuevo método, se desarrolló primero desde una perspectiva teórica, y posteriormente se validó en phantoms de tejido biológico, demostrando su factibilidad en mediciones realizadas en el músculo del antebrazo de un paciente. En general, estas contribuciones permitirán el desarrollo de métodos tomográficos, no invasivos y rentables para la medición de flujo sanguíneo, extensibles incluso a seres humanos

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement. / Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red. / Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa.

The present thesis studies a variety of cold atomic systems in artificial gauge fields. In the first part we focus on fractional quantum Hall effects, asking whether interesting topological states can be realized with cold atoms. We start by making a close connection to solid-state systems and first consider fermionic atoms with dipolar interactions. Assuming the system to be in the Laughlin state, we evaluate the energy gap in the thermodynamic limit as a measure for the robustness of the state. We show that it can be increased by additionally applying a non-Abelian gauge field squeezing the Landau levels. We then switch to bosonic systems with repulsive contact interactions. Artificial magnetic fields for cold bosons have extensively been discussed before in the context of rotating Bose gases. We follow a different approach where the gauge field is due to an atom-laser coupling. Thus, transitions between different dressed states have to be included. They are shown to break the cylindrical symmetry of the system. Modifying the Laughlin state and the Moore-Read state accordingly, we determine the parameter regimes where they are good representations for the ground state of the system obtained via exact diagonalization. One of the most interesting feature of fractional quantum Hall states is the anyonic behavior of their excitations. We therefore also study quasiholes in the Laughlin state and the modified Laughlin state. They are shown to posses anyonic properties, which become manifest even in small systems. Moreover, the dynamics of a single quasihole causes visible traces in the density of the system which allow to clearly distinguish the Laughlin regime from less correlated phases. In the latter, a sequence of collapses and revivals of the quasihole can be observed, which is absent in the Laughlin regime. Extending our study to bosonic systems with a pesudospin-1/2 degree of freedom, we discuss the formation of strongly correlated spin singlets. Strikingly, at filling v=4/3, the system is described by a state with non-Abelian excitations, which is constructed as the zero-energy ground state of repulsive three-body contact interactions. Systems with internal degrees of freedom also allow for implementing artificial spin-orbit coupling. It is shown to give rise to a variety of incompressible states. In the second part of the thesis, we concentrate on condensed system. Bose-Einstein condensates with spin-orbit coupling are shown to have a degeneracy on the mean-field level, which is lifted by quantum and thermal fluctuations. The system becomes experimentally feasible in three dimensions, where the condensate depletion remains finite, and thus allow for an experimental observation of this order-by-disorder mechanism. Finally, we study the influence of Abelian and non-Abelian gauge fields on the quantum phase transitions of bosons in a square optical lattice. Re-entrant superfluid phases and superfluids at finite momenta are interesting properties featured by such systems.

Capítols 3 a 7 escrits en anglès / Myopia is the main cause of vision loss worlwide, with associated ocular pathology risks related to myopia amount. Therefore, interventions directed towards limiting or preventing the progression of myopia are of high importance to reduce the risk of potential eye disease and blindness. Research in animals has shown that the emmetropization process and ocular growth are image dependent, is a local eye phenomenon and the fovea is not essential. Specifically, the periphery, in isolation, can mediate the normal development of refraction and when an image conflict between the fovea and the periphery occurs, the later dominates eye development. Recent clinical trials conducted with multifocal lenses and orthokeratology have shown that their optical induced changes including the one on peripheral image shell reduce eye growth. In this sense, the main objective was to determine if a contact lens designed to produce myopic peripheral defocus may slow down myopia progression. This thesis describes 6 main studies, and is the result of efforts to design, patent and validate the experimental optical lens, as well as to undertake two longitudinal trials. The first chapter includes a description of the process to design and patent the lens. This unique and innovative design has an optical, single, progressive and continuous zone with an addition of 1.5 D preset at 30° from central axis. Designed using the Atchison eye model, this lens obtained a triple "A" Spanish patent under the number: ES 2406381B1. An initial pilot study of ten subjects was conducted to assess the soft and gas permeable materials (GP) peripheral refractive changes, as well as subjective and objective changes in the optical axis. In view of the results, the addition was increased to 2 D and two studies on 52 and 59 subjects were conducted to measure changes in the peripheral refraction (PR), optical aberrations, contrast sensitivity (CS), visual acuity and accommodative Lag. The GP material resulted in a myopic shift of the peripheral image beyond 10 degrees of eccentricity at nasal and temporal visual field, enough to place the focus in front of the peripheral retina in most of the evaluated myopic patients. With the hydrophilic material, the relative peripheral refraction showed significant changes in the spherical equivalent from 30th to 15th nasal temporal and 30 degrees. There was also a significant increase in higher order aberrations, a loss of contrast sensitivity and a decrease in the accommodative lag. All these aspects had been suggested in the literature as contributing elements to slow down myopia. A longitudinal study to investigate the effects of experimental GP lens material suffered a great loss of follow-up and only one case was finally analyzed. However, due to the trial design of intra-subject crossover study, we could compare the eye wearing the experimental lens in each of the two periods of eight months with its contralateral. Since myopia increased less with experimental GP lens, this suggests a high potential to be evaluated in a longitudinal future study. Moreover, after two years of a longitudinal experimental soft lenses study it was showed a control effect of 43% on refractive outcome and a 27% less in axial length increase compared with a group with monofocal glasses. In addition, the experimental group displayed no differences with an orthokeratology control group. This work represents the first controlled clinical trial that provides information on the progression of myopia 12 months before entering into a myopia control study, compares the efficacy of two different contact lenses treatments and shows a comprehensive view of the potential causes of myopia control by analyzing PR, ocular aberrations and lag of accomodation. In the light of the results, the new experimental lenses showed a promising effect in myopia control, and other potential designs based on the knowledge provided in this thesis may increase their effectiveness. / La miopía es el principal problema de visión en el mundo, con riesgos asociados cuanto mayor es su magnitud. Por ello, resultan de gran importancia las intervenciones que puedan limitar o prevenir la progresión de la miopía, disminuyendo los riesgos de patologías oculares y potencial ceguera. Las investigaciones en primates han mostrado que el proceso de crecimiento ocular es dependiente de la imagen, actúa localmente en el ojo y que la fóvea no es esencial. En concreto, la periferia, de modo aislado, puede mediar el desarrollo normal de la refracción y cuando hay un conflicto entre las señales visuales de la fóvea y la periferia, estas últimas dominan sobre las centrales en el desarrollo ocular. Estudios recientes, con lentes de ortoqueratología y multifocales, han mostrado que su óptica, que incluye el movimiento de adelantamiento de la imagen periférica, reduce el crecimiento del ojo. En este sentido, el principal objetivo fue determinar si un lente de contacto diseñado para producir desenfoque periférico miope podía ralentizar el avance de la miopía. Esta tesis, que describe 6 estudios principales, es el resultado de los esfuerzos para diseñar, patentar, validar la óptica de la lente experimental y realizar dos ensayos longitudinales. El primer capítulo incluye la descripción del proceso para diseñar y patentar la lente. Esta, de diseño innovador, dispone una zona óptica, única, progresiva y continua, con una adición prefijada en 1,5 D a 30º respecto al eje. Diseñada utilizando el modelo de ojo de Atchison, obtuvo una patente Española de triple "A" con el número: ES 2406381B1. Se condujo un estudio piloto inicial con diez sujetos para constatar su validez óptica y evaluar en materiales hidrofílicos y permeables a los gases (GP) los cambios refractivos periféricos inducidos, al igual que los ópticos. En función de los resultados, se condujeron dos estudios con 52 y 59 sujetos para medir los cambios en refracción periférica, aberraciones ópticas, sensibilidad al contraste (CS), agudeza visual y Lag acomodativo. El material GP resultó en un cambio miópico de la imagen periférica más allá de los 10 grados de excentricidad nasal y temporal del campo visual, suficientes para adelantar la imágen en la mayor parte de los miopes evaluados. Con lente blanda, la refracción relativa periférica mostró cambios significativos desde 30º nasal a 15º temporal y a 30º grados en el equivalente esférico. También hubo un aumento significativo de las aberraciones de alto orden, así como una disminución de la sensibilidad al contraste y del Lag acomodativo. Elementos contribuyentes a frenar la miopía. Los estudios longitudinales investigaron el efecto de control de la lente experimental. El grupo de lente GP sufrió una gran pérdida de seguimiento y sólo un caso fue finalmente analizado. Sin embargo, gracias al diseño del estudio intrasujeto cruzado, se pudo valorar que el ojo que llevaba la lente experimental, en cada uno de los dos periodos de que constaba el estudio, aumentó menos la miopía que en el contralateral. Sugiriendo un potencial a ser evaluado en un estudio longitudinal futuro. Adicionalmente, las lentes experimentales blandas, tras 2 años de estudio longitudinal frenaron un 43% y un 27% el incremento refractivo y axial respectivamente, en comparación con un grupo de gafas monofocales. Además, el grupo experimental no mostró diferencias respecto un grupo control de ortoqueratología. Este es el primer ensayo clínico controlado que proporciona información sobre la progresión de la miopía 12 meses antes de entrar en el estudio, se compara la eficacia de dos tratamientos con diferentes lentes de contacto y presenta una visión completa de las causas potenciales de control de la miopía mediante el análisis de la refracción periférica. Las lentes experimentales evidencian un efecto de control de la miopía prometedor. Otros potenciales diseños basados en el conocimiento proporcionado en este trabajo podrían incrementar su efectividad.

Considering that the most abundant renewable energy source is the Sun, photovoltaic technology possesses one of the highest potentials to provide environmental benign and sustainable energy worldwide. Currently, most of commercial available modules are fabricated from crystalline silicon because of its high efficiency. To lower fabrication costs and increase the functionality of the solar modules, several thin film technologies are under development. Among them, organic photovoltaics has created large expectations provided it possesses some intrinsic advantages, such as light weight, flexibility or semi-transparency. However, the low charge mobility in the majority of the organic semiconductor materials prevents the use of active layers thicker than a few hundred nanometers. This leads to a limited light harvesting capacity and, consequently, a limited conversion efficiency. Different optical approaches have been considered to enhance the absorption of organic solar cells and increase their efficiency. In this thesis, we propose a novel configuration based on the use of fiber arrays to effectively trap light and efficiently couple it into the active layer to enhance absorption. The thesis work is presented in five chapters. After an introductory chapter, in chapter 2 light absorption of an organic solar cell deposited on the backside of a fiber array is studied theoretically. A strong enhancement in light harvesting is predicted using such configuration. For small diameter fibers the enhancements originated from light coupling to some low quality whispering gallery modes, while for large diameter fibers light seemed to be effectively trapped inside the fiber structure. In chapter 3 and 4, we consider the dip-coating procedure, a fabrication technique that can be applied to deposit from a precursor solution, layers on a substrate irrespective of its shape. Its viability is demonstrated by applying it to different device architectures. The deposition on such non-flat substrates of the rest of the layers forming an organic solar cell is also examined. For instance, several relevant changes that had to be introduced to the ITO sputtering to obtain transparent electrodes with an optimal quality, both, optically and electrically, are discussed. Once the layer deposition is optimized to fulfill the electrical and optical requirements of organic solar cells, in chapter 5, we experimentally demonstrate that an enhanced light absorption can be achieved from such organic solar cells when deposited on fiber arrays. Optical fibers of 80 µm in diameter were used to fabricate the arrays to be used as the cell substrate. Such substrates were coated with an organic solar cell of evaporated small molecules. The implemented fiber array configuration is seen to be an effective light trapping method. Indeed, the photogenerated current from such devices is shown to increase by a 26%, which is a considerable percentage when compared to the majority of the optical approaches that were considered in the past to enhance absorption in organic cells. / Si considerem que la font d'energia renovable més a abundant és el Sol, la tecnologia fotovoltaica posseeix un dels potencials més alts per poder produir l'energia mundial de forma sostenible i benigne amb el medi ambient. Actualment la majoria dels mòduls comercials estan fabricats de silici cristal.lí ja que aquest material té una gran eficiència. Per tal de rebaixar els costos de producció i incrementar la funcionalitat d'aquest panells solars, diverses tecnologies de capa prima s'estan desenvolupant. Entre elles, la tecnologia fotovoltaica amb materials orgànics ha creat grans expectatives gràcies a les seves propietats intrínseques, com per exemple la seva lleugeresa, flexibilitat o bé semi transparència. Per altra banda, la baixa mobilitat de les càrregues en la majoria dels semiconductors orgànics impedeix l'ús de capes actives no molt més gruixudes que uns pocs nanòmetres. Això provoca que tinguin una capacitat de col.lecció lumínica limitada i com a conseqüència, la eficiència de conversió energètica també ho és. S'han considerat diferents estratègies òptiques per tal de millorar l'absorció en les cel.les solars orgàniques i incrementar la seva eficiència. En aquesta tesi proposem una configuració innovadora basada en l'ús d'una matriu de fibres, les quals atrapen i acoblen la llum en la capa activa per millorar l'absorció d'aquesta. La present tesi consta de cinc capítols. Després d'un capítol introductori, en el capítol 2 s'estudia teòricament l'absorció de llum d'una cel·la solar orgànica dipositada en la part posterior de la matriu de fibres. Per diàmetres de fibra petits, les millores són degudes a l'acoblament d'uns modes recirculants de llum de baixa qualitat. Mentre que per diàmetres grans, la llum sembla estar atrapada de forma efectiva dins de l'estructura formada per les fibres. En els capítols 3 i 4 hem considerat el recobriment per immersió, aquesta tècnica de fabricació pot ser aplicada per dipositar capes des d'una solució precursora a un substrat, independentment de la seva forma. La validesa de la tècnica es demostra quan s'aplica a diferents arquitectures de cel·la. El dipòsit en aquestes estructures no planes de la resta de les capes que formen la cel·la solar orgànica també s'ha investigat. Per exemple, es discuteixen varis canvis rellevants, els quals s'han tingut que introduir per la polvorització catòdica del ITO, per tal d'obtenir elèctrodes transparents amb unes qualitats òptiques i elèctriques òptimes.