Este trabalho teve como objetivo a montagem de um sistema de otimização de pulsos ultracurtos (oscilador laser modelocked de 15 fs), através de uma técnica de formatação de pulsos via absorção de dois fótons em compostos orgânicos. Está técnica utiliza uma estratégia evolucionária baseada em um algoritmo genético, onde se controla o formato do pulso pela deformação imposta a um espelho deformável, conjuntamente com o monitoramento de um sinal de realimentação. Desta forma, este sistema permite tanto a otimização do processo de absorção de dois fótons, quanto a otimização do próprio pulso do sistema laser. Após a montagem inicial do sistema de formatação de pulsos, foram implementados três métodos de otimização via monitoramento do processo de absorção de dois fótons, sendo que dois deles foram desenvolvidos nesta dissertação. Os métodos diferem entre si pelo emprego de distintos sinais de realimentação para o processo de otimização: (i) intensidade da fluorescência excitada por dois fótons; (ii) variação da transmitância não linear dos compostos orgânicos devido à absorção de dois fótons; e (iii) intensidade do efeito de lente térmica apresentada pelos compostos orgânicos após a absorção de dois fótons. Os três métodos de otimização apresentaram resultados similares e satisfatórios, aproximando a largura temporal do pulso ao final do processo de otimização da largura temporal dada pelo limite da transformada de Fourier, medidas através de técnicas de autocorrelação. Estes resultados apontam para a validade do uso dos métodos por nós desenvolvidos como alternativas para processos de otimização de pulsos ultracurtos. / In this work it is described the implementation of an ultrashort pulse optimization system (15 fs modelocked oscillator) that employs pulse shaping methods via two-photon absorption in organic materials. This technique uses an evolutionary strategy based on a Genetic Algorithm, where the pulse shape is controlled by a deformable mirror, while a feedback signal is monitored. In this way, this system allows both, the two-photon absorption process and pulse optimization. After the accomplishment of the pulse shaping system, we have implemented three distinct optimization methods via two-photon absorption monitoring, being two of them proposed in the present dissertation. These three methods differs from each other by the use of different feedback signals for the optimization process: (i) intensity of the two-photon excited fluorescence; (ii) nonlinear transmittance change in organic compounds due to the two-photon absorption; and (iii) intensity of the thermal lens effect. All optimization methods presented similar and satisfactory results, leading the ultrashort pulse, in the end of the optimization process, close to the Fourier transformed limit. In such cases, the pulse duration were determined through the autocorrelation technique. These results indicates that the new methods proposed here can be used as an alternative for both, pulse optimization and control of two-photon absorption process, specially for nonfluorescent samples.

Este trabalho demonstra o uso da fotopolimerização via absorção de dois fótons na produção de microestruturas dopadas com compostos orgânicos e nanopartículas de Au. A capacidade de produção de microestruturas com propriedades variadas é extremamente relevante, pois viabiliza o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos ópticos. Além disso, realizamos a conexão entre as microestruturas fabricadas e fontes de excitação, por meio de nanofibras de vidro. A integração entre essas estruturas, e destas com meios externos de excitação e detecção, é um passo essencial para o desenvolvimento de microcircuitos fotônicos, que podem representar uma nova revolução tecnológica, a exemplo do que foram os microcircuitos eletrônicos. Exploramos as possibilidades de dopagem da resina usando: (i) um composto fluorescente, (ii) um composto com birrefringência fotoinduzida e (iii) nanopartículas de ouro. Microestruturas contendo Rodamina B apresentaram boa integridade estrutural e fluorescência, tendo sido usadas para demonstrar a conexão dos microelementos com meios externos de excitação. Através de nanofibras e de micromanipuladores, comprovamos a capacidade de excitação seletiva de microestruturas através do guiamento da luz de um laser de Ar+. Estruturas birrefringentes foram obtidas pela dopagem com o azopolímero HEMA-DR13. Montamos um aparato que permite a observação da dinâmica de indução de birrefringência nas microestruturas, o qual representa um grande passo na caracterização deste tipo de microelementos. Com base nesse estudo, foi possível alcançar uma fração de birrefringência residual nas microestruturas de 35%. Por fim, propomos um método para a dopagem de microestruturas poliméricas com nanopartículas de ouro. Por se tratar de um método de dopagem indireta, ele evita interferências das nanopartículas no processo de microfabricação. Dessa forma, este trabalho abre possibilidades para a fabricação de microdispositivos funcionais com diversas propriedades especiais, bem como a integração desses microdispositivos em circuitos fotônicos. / This work demonstrates the use of two-photon photopolymerization in the fabrication of microstructures doped with organic compounds and gold nanoparticles. The ability to produce microstructures with different properties is extremely relevant, because it opens the possibility for the development of a new generation of optical devices. Besides, we have accomplished the connection between fabricated microstructures and excitation sources by means of silica nanowires. The connection among structures and with external means of detection and excitation is an essential step towards the development of new technological breakthrough in photonic microcircuits. We have explored the resin doping possibilities by using: (i) a fluorescent compound, (ii) a photoinduced birefringent compound and (iii) gold nanoparticles. Rhodamine B doped microstructures present good structural integrity and fluorescence, and were able to demonstrate the connection of microelements with external means of excitation. Through the use of nanofiber tapers and micromanipulators, we have shown the selective excitation capability of this method by guiding Ar+ laser light onto one single microstructure. Birefringent samples were obtained by doping the resin with the azopolymer HEMA-DR13. We have assembled an apparatus that allows observing the photoinduced birefringence dynamics, which represents a great step towards a better characterization of these kinds of microelements. Based on this study we were able to achieve a residual birefringence fraction of 35% in microscopic samples. Finally, we have proposed a new method for the doping of polymeric microstructures with gold nanoparticles. Because it is an indirect doping technique, it prevents gold nanoparticles from interfering with the microfabrication process. Thus, the work presented here paves the way for the fabrication of functional microdevices with a wide range of special properties, as well as for the connection of these microstructures for photonic microcircuit.

Os micro-ressonadores que suportam whispering gallery modes têm atraído a atenção da comunidade científica devido a sua grande capacidade de confinar a luz, propriedade que faz dessas estruturas plataformas ideais para o desenvolvimento de pesquisa fundamental como interação da radiação com a matéria e óptica não linear. Além disso, suas características como operação em frequências do visível e de telecomunicações, facilidade de integração e alta sensitividade os tornam extremamente flexíveis para aplicações que vão desde filtros ópticos até sensores. Neste trabalho, demonstramos a fabricação de tais micro-ressonadores via fotopolimerização por absorção de dois fótons (FA2F). Esta técnica apresenta uma série de vantagens para a confecção de micro-dispositivos, sendo elas a capacidade de resolução inferior ao limite de difração, a flexibilidade de formas e ainda, a possibilidade de incorporar compostos de interesse à matriz polimérica a fim de introduzir novas funcionalidades ao material que compõe a estrutura final. Ademais, diferentes polímeros podem ser utilizados para a fabricação das microestruturas, tornando a técnica viável para uma vasta gama de aplicações. As microestruturas poliméricas que fabricamos são micro-cilindros ocos de boa integridade estrutural com 45 μm de diâmetro externo e 100 nm de rugosidade de superfície, o que as torna potencialmente aplicáveis como micro-ressonadores para frequências de operação típicas de telecomunicações. A fim de acoplar luz nessas estruturas, em colaboração com a Universidade de Valência, na Espanha, montamos um aparato de acoplamento. Neste aparato, a luz proveniente de uma fonte de luz centrada em 1540 nm é acoplada nos micro-ressonadores via campo evanescente por meio do uso de uma fibra óptica estirada de 1.5 μm de diâmetro. A potência transmitida é guiada para um analisador de espectro óptico, onde é possível identificar os modos ressonantes, representados como picos de atenuação com free spectral range em torno de 9.8 nm. Ao término desse projeto, um aparato similar foi montado no Grupo de Fotônica do IFSC/USP, a partir do qual pudemos medir os modos ressonantes tanto de fibras ópticas estiradas quanto dos micro-cilindros poliméricos. A finesse dos micro-ressonadores poliméricos caracterizados varia de 2.51 a 4.35, sendo da mesma ordem de grandeza do valor reportado na literatura para ressonadores de alta performance fabricados por FA2F a partir da mesma formulação de resina polimérica que utilizamos. / Whispering gallery modes microresonators have been attracting increasing interest due to their ability to strongly confine light within small dielectric volumes. This property is quite useful for basic research involving light-matter interaction and nonlinear optics, but their applications go beyond that. The ease of fabrication, on-chip integration and operation at telecommunication frequencies make them suitable for a variety of practical applications, including photonic filters and sensing. In the current work, we demonstrate the fabrication of such resonators via two-photon polymerization. Using this technique, complex 3D structures with submicrometer feature size can be produced. Besides, the flexibility of geometry and the possibility of incorporating a variety of additional materials, such as organic compounds make it a powerful tool for the fabrication of microresonators. The microstructures we have fabricated are 45 μm outer diameter hollow microcylinders, with good structural integrity and sidewall roughness estimated in 100 nm, which make their application as microresonators feasible in the near infrared wavelength regime. In order to couple light within these microresonators, an experimental setup was built at University of Valencia to implement the coupling. In this setup, light from a 1540 nm-centered broadband source was coupled into the fabricated microresonators via evanescent field using a 1.5 μm waist tapered fiber. The transmitted light was then guided to an optical spectral analyzer, where it was possible to measure resonances, represented as attenuation peaks, with free spectral range of about 9.8 nm. Afterwards, a similar experimental setup was assembled in the Photonics group at IFSC/USP, where we could observe resonances of both tapered optical fibers and the polymeric microresonators fabricated by means of two-photon polymerization. The finesse of the polymeric microresonators was estimated in 4.35, being in the same order of the finesse reported in the literature for high performance microring resonators fabricated using the same polymeric resin.

Microestruturas poliméricas dopadas despertam grande interesse nas áreas de óptica, fotônica e biologia, pois viabilizam a produção de dispositivos com propriedades específicas. Contudo, a dopagem de microestruturas com mais de um dopante é pouco explorada na literatura. Nesse contexto, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de uma metodologia para fabricar microestruturas poliméricas com múltiplas dopagens, através de fotopolimerização por absorção de dois fótons. Esta técnica de microfabricação faz uso de um feixe laser pulsado (Ti:safira, 780 nm, 100 fs) que é focalizado, através de lentes de microscópio, no volume de uma resina polimérica contendo fotoiniciador composto orgânico responsável por iniciar o processo de polimerização. A intensidade dos pulsos de femtossegundos é alta o bastante para que processos não lineares absorcivos, nesse caso absorção de dois fótons, ocorram apenas no volume focal, induzindo a polimerização apenas ao seu redor. Como dopantes utilizamos os corantes fluorescentes Rodamina e Fluoresceína. Para averiguar a eficácia do sistema de fabricação desenvolvido, produzimos estruturas com apenas um dopante, e as caracterizamos utilizando microscopia óptica e eletrônica. Microestruturas contendo mais de um dopante, em regiões distintas, foram produzidas através da fabricação sequencial de estruturas dopadas. Essa metodologia permite a produção de estruturas com dupla dopagem, as quais apresentam boa integridade estrutural e preservam as propriedades ópticas dos dopantes. Por fim, visando aplicações em biologia, empregamos a metodologia desenvolvida para fabricar microambientes dopados, em sítios específicos, com o antibiótico cloridrato de ciprofloxacino. Estudos iniciais do desenvolvimento da bactéria Escherichia coli nestes microambientes foram feitos, com o objetivo de demonstrar a viabilidade para este tipo de aplicação. / Doped microstructures have attracted interest in optics, photonics and biology, because they allow the production of devices with specific proprieties. However, doping microstructures with more than one dopant is not much exploited in the literature. In this work we demonstrate the development of a method to fabricate multi-doped microstructures by two-photon absorption polymerization. For the microfabrication we used a femtosecond laser (Ti:sapphire laser, 780 nm, 100 fs) that is focused, by a microscope objective, in the volume of a polymeric resin containing a photoinitiator organic compound responsible to initiate the polymerization. The intensity of the femtosecond pulses is high enough to induced two-photon absorption, and consequently polymerization, only around the focal volume. As dopants we employed the fluorescent dyes Rhodamine and Fluorescein. In order to verify the microfabrication system, we have initially fabricated microstructures with only one dopant, which were characterized using optical and electron microscopies. Microstructures containing more than one dopant, in distinct regions, were produced by sequential fabrication of single doped structures. Such method allowed the fabrication of double doped structures, which presents good structural integrity and maintain the characteristic optical properties of the dyes. Finally, aiming at biological applications, we employed the developed method to fabricate micro-environments doped, in specific sites, with the antibiotics ciprofloxacin hydrochloride. Initial studies on the growth of the bacterium Escherichia coli, on such microstructures, were carried out to demonstrate the feasibility for such type of application.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The most recent developments in the field of nonlinear optics (NLO) show that organic molecules with electron donating or accepting substituents at either ends of a long -conjugation could be promising candidates for integration into photonic devices or applications such 3D microfabrication, optical-limiting, photodynamic therapy, biological probes, etc. Linear and nonlinear optical measurements were carried out for two classes of organic molecules: chalcones and oxazoles. Second- and third-order nonlinear optical properties, namely the first molecular hyperpolarizability ( HRS) and the cross-section of two-photon absorption ( A2F ), respectively, were measured for eight chalcones and for six oxazoles dyes. The experimental values of HRS and A2F were achieved by using hyper-Rayleigh Scattering and Z-Scan techniques, respectively. HRS maximum values of 42 10-30 (esu) and 412 10-30 (esu), for chalcones and oxazoles compounds, respectively, have been obtained. The A2F maximum values of 42 GM and 85 GM for chalcones and oxazoles compounds, respectively, have been obtained. This study has identified the lower performance of chalcones compared to the oxazoles compounds for both NLO effects studied, probably due to the length difference in the -conjugation together with the different electron donor groups present in both compounds. Whenever possible, and in order to better understand the experimental results, quantum chemical calculations were performed employing density-functional theory using the Dalton and Gaussian software. / Os últimos avanços na área da óptica não linear (ONL) mostram que compostos orgânicos que possuem estruturas conjugadas e grupos doadores/aceitadores de elétrons, poderão ser meios materiais promissores na integração de dispositivos ou aplicações fotônicas, tais como: micro-fabricação tridimensional, limitação óptica, marcadores biológicos, fototerapia dinâmica, entre outras. Nesta tese foi realizada a caracterização óptica linear e não linear de duas classes de moléculas orgânicas: chalconas e corantes de oxazóis. Foram estudados os efeitos ópticos não lineares de segunda e terceira ordem, nomeadamente a primeira hiperpolarizabilidade molecular ( HRS) e a seção de choque da absorção de dois fótons ( A2F ), respectivamente, para oito compostos do tipo chalconas e seis compostos do tipo corantes de oxazóis. Os valores experimentais de HRS e A2F foram determinados experimentalmente através do espalhamento de hyper-Rayleigh e da técnica de varredura- Z, respectivamente. Os valores máximos encontrados para HRS foram de 42 10-30 (esu) e 412 10-30 (esu) para os compostos do tipo chalconas e oxazóis, respectivamente. Os valores máximos obtidos para A2F foram de 42 GM e 86 GM para os compostos do tipo chalconas e oxazóis, respectivamente. Estes resultados mostram um menor desempenho dos compostos do tipo chalconas em relação aos oxazóis em ambos os efeitos de ONL estudados, provavelmente devido às diferentes assimetrias de distribuição de carga entre as estruturas, bem como da diferente extensão das estruturas conjugadas. Sempre que foi possível, e com o intuito de interpretar melhor os resultados experimentais, foram realizados cálculos químico-quânticos empregando a teoria do funcional de densidade, através dos programas de simulação computacional Dalton e Gaussian 09.

No presente trabalho produzimos microestruturas, através da técnica de fotopolimerização via absorção de dois fótons, dopadas com nanofios de ZnO, um material que vem sendo amplamente explorado devido as suas interessantes propriedades ópticas e elétricas. Para a fabricação das microestruturas, utilizamos um oscilador laser de Ti:safira que produz pulsos de aproximadamente 100 fs em 800 nm. A intensidade dos pulsos de femtossegundos é alta o suficiente para induzir a absorção¬ de dois fótons em torno do volume focal, localizando a polimerização a esta região. Portanto, através da varredura do feixe na resina polimérica fabrica-se a estrutura desejada. Neste trabalho, desenvolvemos uma metodologia para introduzir nanofios de ZnO às microestruturas fabricadas, a partir da mistura do pó de nanofios de ZnO à resina acrílica. A resina utilizada é uma combinação de duas resinas, o etoxilated(6)trimethylolpropane triacrylate (SR-499) e tris(2-hydroxy ethyl)isocyanurate triacrylate (SR-368). Como fotoiniciador utilizamos o Lucirin TPO-L (2,4,6-trimetilbenzoiletoxifenil phosphine oxide). As microestruturas produzidas foram caracterizadas pelas técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de energia dispersiva, difração de Raios X e espectroscopia de espalhamento micro-Raman. Através destas técnicas, foi possível observar a presença dos nanofios nas microestruturas, bem como caracterizar suas propriedades morfológicas que se mostram adequadas para o desenvolvimento de microdispositivos. Observamos também a emissão de fluorescência das microestruturas excitadas por um e dois fótons. Sendo assim, a metodologia de fabricação descrita aqui pode ser usada como mais uma opção na concepção de novos dispositivos tecnológicos. / In this study we fabricated microstructures, using the two-photon polymerization technique, containing ZnO nanowires, a material that has been widely exploited due to their interesting optical and electrical properties. For the microstructures fabrication, we used Ti:Sapphire laser oscillator operating at 800 nm with 100 fs pulses. The intensity of the fs-pulses is high enough to induce two-photon absorption, confining the excitation and thus the polymerization to the focal volume. By scanning the beam across the resin the desired microstructure is fabricated. In this work, we developed a method to introduce ZnO nanowires in the fabricated microstructure by mixing the ZnO nanowires powder to the acrylic resin. The used resin is a combination of two compounds, etoxilated(6)trimethylolpropane triacrylate (SR-499) and tris(2-hydroxy ethyl)isocyanurate triacrylate (SR-368). As a photoinitiator we have used Lucirin TPO-L (2,4,6-trimetilbenzoiletoxifenil phosphine oxide).The produced samples were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction spectroscopy and micro-Raman scattering. From these techniques it was possible to observe the presence of nanowires in the microstructures, as well as to characterize the morphological properties, which has been shown to be interesting for developing microdevices. We have also observed fluorescent emission of the microstructures excites by one and two-photons absorption. Therefore, the methodology described here can be used as an alternative in the design of new optical devices.

Betalaínas são alcalóides coloridos e com alta capacidade antioxidante que são encontrados em plantas e fungos. A biossíntese destes produtos naturais baseia-se na conversão enzimática da L-tirosina em ácido betalâmico e na condensação aldimínica deste com aminoácidos. A semissíntese de betalaínas naturais para aprofundar o estudo desta classe de pigmentos estimulou o desenvolvimento de betalaínas artificiais, incluindo derivados funcionais. Uma betalaína cumarínica foi criada para ser usada como sonda fluorescente para marcação de Plasmodium falciparum em glóbulos vermelhos. Esta Tese de Doutorado apresenta a semissíntese e estudo de três betalaínas cumarínicas (cBeets) e uma carboestiril-betalaína (csBeet). Procurou-se estabelecer relações entre as estruturas destes compostos e suas propriedades físico-químicas e fotofísicas como ponto de partida no desenvolvimento de uma nova classe de betalaínas funcionais. São apresentados dados sobre a lipofilicidade, estabilidade frente à hidrólise, potencial redox, absorção de um e dois fótons e fluorescência. Interações intermoleculares destes compostos foram investigadas por medidas de fluorescência em misturas binárias de solventes polares, albumina sérica bovina e micelas reversas de AOT em heptano/água. / Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2017. Betalains are colorful alkaloids with high antioxidant capacity that are found in plants and fungi. The biosynthesis of these natural products is based on the enzymatic conversion of L-tyrosine into betalamic acid and aldimine condensation thereof with amino acids. The semisynthesis of natural betalains improved the knowledge on this class of pigments and stimulated the development of artificial betalains, including functional derivatives. A coumarinic betalain was created to be used as a fluorescent label for Plasmodium falciparum on red blood cells. This Doctoral Thesis presents the semisynthesis and study of three coumarin betalains (cBeets) and one carbostyril betalain (csBeet). It was sought to establish relationships between the structures of these compounds and their physical-chemical and photophysical properties as a starting point in the development of a new class of functional betalains. Data on lipophilicity, hydrolysis stability, redox potential, one- and two-photon absorption and fluorescence are presented. Intermolecular interactions of these compounds were investigated by fluorescence measurements in binary polar solvent mixtures, bovine serum albumin and AOT reverse micelles in heptane/water.

A larga banda espectral, característica de pulsos ultracurtos de luz laser, tem possibilitado o controle coerente da interação da luz com a matéria através da manipulação das componentes espectrais da fase do pulso. Esta nova área de pesquisa tem sido responsável por avanços no entendimento e controle de fenômenos foto-induzidos, especialmente no que diz respeito a processos ópticos não lineares. Nesta tese de doutorado, estudamos o controle coerente da absorção de dois fótons (A2F) em compostos orgânicos usando pulsos de femtossegundos. O processo de A2F em derivados de perilenos foi investigado utilizando pulsos com chirp linear (máscara de fase quadrática), a partir do monitoramento da fluorescência excitada por dois fótons. A otimização da A2F desses compostos, através da formatação da fase do pulso via algorítmo genético, revelou que pulsos limitados por transformada de Fourier induzem maior A2F. Cálculos de Química Quântica, empregando o formalismo da teoria do funcional densidade, foram utilizados para caracterizar a estrutura eletrônica e determinar as transições permitidas por dois fótons nos derivados de perilenos, fundamentando nossos resultados experimentais. Além disso, estudamos também o controle coerente da A2F de compostos orgânicos aplicando uma máscara de fase senoidal ao pulso. Neste caso, demonstramos que a eficiência do controle depende da posição relativa entre o comprimento de onda central do pulso e da banda de A2F do material. Finalmente, o controle coerente da A2F foi investigado com o uso de uma máscara de fase do tipo degrau. Nossos resultados evidenciam a importância da relação entre a banda espectral do pulso e a largura de linha da A2F do material para atingir o controle da A2F. Em conclusão, os resultados obtidos neste trabalho ajudam a esclarecer aspectos do controle coerente, obtido com pulsos ultracurtos formatados, em sistemas moleculares. / The broad spectral band of ultrashort laser pulses has been used to coherently control the lightmatter interaction, by acting on the spectral phase of pulses using the so called pulse shaping methods. This new research area has been held responsible for advances in the understanding and controlling of photo-induced phenomena, especially in nonlinear optics. In this work, we studied the coherent control of two-photon absorption (2PA) processes in organic compounds, employing femtosecond pulses. We investigated the 2PA of perylene derivatives using chirped pulses (quadratic phase mask), by monitoring the two-photon excited fluorescence. Optimization of 2PA in perylene derivatives was achieved by shaping the pulse using a genetic algorithm, which revealed that Fourier transform limited pulses lead to higher 2PA. Quantum chemical calculations, using Density Functional Theory, were carried out to characterize the electronic structure and determine the allowed two-photon transitions of perylene derivatives, backing up our experimental results. Furthermore, we also studied the coherent control of 2PA in organic molecules applying a cosine-like phase mask. In such case, we demonstrated that the control efficiency depends on the detuning between the pulse central wavelength and materials 2PA band. Finally, coherent control of 2PA was explored using a step-like phase mask. Our results indicate that, in this situation, control of 2PA is only attained if a specific ratio between the pulse bandwidth and the 2PA transition bandwidth is used. In conclusion, the results obtained in this work help the understanding of coherent control in molecular systems.

Orientador: Lázaro Aurélio Padilha Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T09:51:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nagamine_Gabriel_M.pdf: 6846623 bytes, checksum: 1daab6ac65771517c50786728dfce86e (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Pontos quânticos coloidais (QDs) ternários de CuInS2 (CIS) surgiram como uma alternativa não tóxica, altamente promissora, aos já bem estabelecidos QDs binários de CdX e PbX (X=Se,S). Além de não possuírem metais pesados em sua composição, esses novos materiais apresentam diversas características desejáveis, o que os torna fortes candidatos a serem aplicados em novas tecnologias, tanto em biologia quanto na geração de nova fontes de energia renovável. Além disso, esses QDs apresentam diversas propriedades ópticas que os diferem radicalmente dos QDs binários já conhecidos e ainda são pouco compreendidas. Dentre elas, podemos citar um largo espectro de fotoluminescência (PL), com decaimentos longos e multi-exponenciais e um espectro de absorção pouco definido, com uma longa cauda que vai para o infravermelho. Adicionalmente, esses nanomateriais apresentam um grande Stokes shift, de até 500 meV, cuja origem ainda é desconhecida e amplamente debatida na literatura. Com o intuito de desvendar os mecanismos por trás dessas propriedades distintas, nesse trabalho, realizamos uma série de estudos da sua dinâmica ultrarrápida e de espectroscopia não-linear para revelar a estrutura eletrônica desses QDs. Das medidas de dinâmica ultrarrápida, mostramos uma maneira alternativa de medir-se o tamanho dessas nanopartículas, por meio da sua seção de choque de absorção em 3,1 eV, que seria independente da variabilidade morfológica apresentada por elas. Adicionalmente, fazendo um estudo da dependência das interações multi-éxciton desses QDs com o tamanho, reportamos que esses nanomateriais apresentam interações Coulombianas reduzidas em relação aos QDs binários já conhecidos. Das medidas de espectroscopia não-linear, mostramos a primeira comprovação experimental de que a transição óptica entre os níveis fundamentais da banda de valência e condução é proibida por paridade em partículas esféricas. Além disso, comparando o espectro de absorção de 2 fótons das amostras estudadas com imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM), mostramos que quebras na simetria das funções de onda dos portadores nesses QDs alteram as suas regras de seleção para transições ópticas. Adicionalmente, verificamos que, controlando a composição e tamanho desses QDs, é possível obter seções de choque de 2PA de até 13.500 GM dentro da janela de transparência óptica do tecido do corpo humano / Abstract: Ternary CuInS2 (CIS) Colloidal Quantum Dots (QDs) have emerged as a non-toxic promising alternative to the CdX and PbX (X=Se,S) binary QDs. Besides not having heavy metals on their composition, these new materials show several desirable features, which makes them strong candidates to be applied in new technologies, from biology to the new generation of renewable energy sources. Furthermore, these QDs present various optical properties that radically differs from the already well studied binary QDs and yet are not well understood. Among them, we can cite a large photoluminescence (PL) spectra, with long and multi-exponential decays and a poorly defined absorption spectra, with a long infrared tail. Additionally, these nanomaterials present large Stokes shift, up to 500 meV, whose origin is still not well understood and largely debated on the literature. To reveal the mechanism behind these distinguished properties, here, we perform a series of ultrafast spectroscopy and non-linear spectroscopy studies to reveal the electronic band structure of these QDs. From the ultrafast dynamics measurements, we show an alternative way to measure the size of these nanoparticles, through their absorption cross section in 3,1 eV, which would be independent from the morphologic variability presented by them. Additionally, by performing studies of the size dependent multi-exciton interactions, we report that these kind of nanomaterials present reduced Coulombic interactions in relation to de already known binary QDs. From the non-linear spectroscopy measurements, we show the first experimental confirmation that the optical transition between the electron and hole ground state are parity forbidden in the spherical particles. In addition, comparing the two-photon absorption (2PA) spectra of the studied samples with their transmission electron microscopy images, we show that symmetry breaking of the electronic wave functions in these QDs change their optical transition selection rules. Additionally, we verify that, by controlling the size and composition of these QDs, it is possible to obtain 2PA cross section as high as 13,500 GM inside the transparency window of the human tissue / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1547612/2015 / 13/16911-2 / CAPES / FAPESP

Orientador: Carlos Henrique de Brito Cruz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-27T13:12:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PadilhaJunior_LazaroAurelio_D.pdf: 3832856 bytes, checksum: ee1e342cd7bc49e51127fe13ee9ed626 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Nesta tese as propriedades ópticas lineares e não-lineares em pontos quânticos de semicondutores de band-gap diretos, CdTe e CdSe, são estudados em escala temporal de femtossegundos, especialmente aquelas propriedades importantes para aplicações em chaveamento totalmente óptico, como o tempo de resposta e a susceptibilidade de terceira ordem. Os processos de recombinação de elétrons fotoexcitados são investigados assim como seus tempos de resposta, usando um modelo teórico que considera a influência dos estados de armadilhas de superfície e da recombinação Auger. As propriedades ópticas não lineares de terceita ordem, absorção de dois fótons e efeito Kerr óptico, são estudados através de diferente técnicas experimentais: Z-scan, bombeio e prova e foto-luminescência excitada por dois fótons. Forte influência do tamanho dos nanocristais é observada, especialmente nos espectros de absorção de dois-fótons. Modelos teóricos baseados na aproximação de massa efetiva e no modelo p k de Kane são usados para descrever a influência do confinamento quântico nos processos de absorção de dois-fótons degenerados e não-degenerados. A importância da mistura das bandas de buracos é observada no ajuste teórico dos espectros de absorção de dois fótons. Finalmente, chaves totalmente ópticas operando por saturação de absorção e por controle de polarização são demonstradas para pontos quânticos de CdTe em matriz vítrea / Abstract: In this thesis the linear and non-linear optical properties of direct band-gap semiconductors, CdTe and CdSe, quantum dots are studied at femtosecond time scale, mainly those properties important for applications in all-optical switching such as response time and third order susceptibility. The photo-excited electron recombination processes are investigated as well their response time using a theoretical model considering the influence of the surface trapping states and the Auger recombination. The third order nonlinear optical properties, two-photon absorption and optical Kerr effect, are studied by different experimental techniques: Z-scan, pump and probe and two-photon induced photo-luminescence. Strong influence from the nanocrystals size is observed, especially on the two-photon absorption spectra. Theoretical models based on the effective mass approximation and Kane¿s p k model are used to describe the influence of the quantum confinement on the degenerate and non-degenerate two-photon absorption processes. The importance of the hole band mixing is easily seen from the two-photon absorption fitting. Finally, all-optical switching by absorption saturation and polarization control are demonstrated for CdTe quantum dots in doped glass / Doutorado / Propriedades Óticas e Espectroscopia da Matéria Condensada ; Outras Inter. da Matéria Com. Rad. e Part / Doutor em Ciências