Orientador: Carlos Lenz César / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-01T03:43:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pelegati_VitorBianchin_D.pdf: 6822381 bytes, checksum: 86749ce34dc184aeb7ed4b4ee47d70b3 (MD5) Previous issue date: 2016 / Resumo: Técnicas de microscopias ópticas são as principais ferramentas capazes de observar células e tecidos biológicos em tempo real e com mínimo dano. Essa área foi revolucionada recentemente através das microscopias confocais de varredura a laser e as microscopias de óptica não linear, naturalmente confocais. Entre os processos não lineares temos, a fluorescência excitada por dois ou mais fótons, geração de segundo harmônico [Second Harmonic Generation - SHG] e terceiro harmônico [Third Harmonic Generation - THG]. SHG e THG são técnicas de óptica não linear coerentes, não necessitam de marcadores exógenos e permitem reconstrução de imagens em três dimensões com resolução espacial subcelular. As técnicas de fluorescência permitem visualizar estruturas específicas no espaço, mas não permitem discriminar as substâncias químicas nas estruturas celulares, e as técnicas de SHG e THG não possuem especificidade química. Espectroscopia Raman possui especificidade química através das propriedades vibracionais das moléculas e pode ser usada como mecanismo de contraste na aquisição de imagens. Comparada com a espectroscopia/microscopia infravermelho, a microscopia Raman traz a informação das vibrações moleculares do infravermelho para o visível, eliminando os problemas da baixa resolução espacial e opacidade das amostras. Entretanto a baixa sensibilidade dessa técnica implica em tempos de aquisição de imagens muito longos, da ordem de horas, inviabilizando acompanhar a dinâmica de processos celulares em tempo real. Como solução para essa baixa sensibilidade do espalhamento Raman espontâneo, surgiu a microscopia por espalhamento Raman Coerente anti-Stokes [Coherent Anti-Stokes Raman Scattering - CARS]. Comparado com Raman espontâneo, a microscopia CARS representa aumento de 4 a 5 ordens de grandeza na sensitividade da técnica, diminuindo os tempos de aquisição ao ponto de viabilizar a aquisição em taxas de vídeos (mais rápido do que 30 quadros por segundo) e estudos em tempo real. Essa tese é dedicada ao estudo experimental e teórico, assim como de algumas aplicações, das técnicas de óptica não linear, com destaque para processos de óptica não linear coerentes. Apresentamos de forma detalhada três sistemas experimentais para a aquisição de imagens de Raman coerente e um sistema integrado com várias técnicas de óptica não linear. Mostramos as primeiras imagens de CARS realizadas no Brasil. Além do CARS convencional, trabalhamos com outra técnica de CARS de ordem mais alta, o CARS cascata [cascade CARS - CCARS], e, no melhor do nosso conhecimento, apresentamos as primeiras imagens internacionais obtidas com essa metodologia. CCARS aumenta o contraste da técnica CARS, diminuindo o fundo não ressonante, um problema que aflige a comunidade científica dedicada ao uso dessa técnica. Além da diminuição do fundo não ressonante, a emissão do CCARS acontece em um comprimento de onda diferente de qualquer outro efeito não linear coerente, significando um acréscimo de complexidade mínimo para sua detecção quando comparado com o CARS. Por último mostramos algumas aplicações realizadas com o sistema experimental desenvolvido para integrar diversas modalidades ópticas em paralelo, especialmente da geração de harmônicos com a fluorescência excitada por dois fótons e suas variantes, como microscopia de tempo de vida de fluorescência (Fluorescence Lifetime Imaging ¿ FLIM) / Abstract: Optical microscopies techniques are the main tools capable of observing cell and biological tissues in real time and with minimum damage. This area have recently been revolutionized by confocal laser scanning microscopies and non-linear microscopies, naturally confocal. Among the non-linear process we have, the two or more photons excited fluorescence, second harmonic generation [SHG] and third harmonic generation [THG]. SHG and THG are coherent nonlinear techniques, they do not require exogenous markers and allow three dimension imaging reconstruction with subcellular resolution. The fluorescence techniques allow visualizing specific structures in space, but do not allow discriminating the chemical substances in cellular structures, SHG and THG techniques do not have chemical specificity. Raman spectroscopy has chemical specificity through the vibrational properties of the molecules and can be used as a contrast mechanism for imaging acquisition. Compared to infrared spectroscopy/microscopy, Raman microscopy brings information about molecular vibration from infrared to visible, eliminating the low resolution and sample opacity problems. However, this technique low sensibility implies in very long imaging acquisition times, order of hours, making it not viable for following cellular process dynamics in real time. As an answer for the spontaneous Raman scattering low sensibility, the coherent anti-Stokes Raman scattering [CARS] emerged. Compared to spontaneous Raman, CARS microscopy presents an increase of 4 to 5 orders of magnitude in the sensitivity of the technique, lowering the acquisition times to the point of making video acquisition (faster than 30 frames per second) and real time studies possible. This thesis is dedicated to the experimental and theoretical study, as well as some applications, of the non-linear techniques, with emphasis on coherent non-linear optical processes. We present in detailed form three experimental systems for the acquisition of coherent Raman images, and a system with the integration of various non-linear techniques. We show the first CARS images acquired in Brazil. In addition to conventional CARS, we worked with other higher order CARS technique, the cascade CARS [CCARS], and, in the best of our knowledge, we present the first international image acquired with this methodology. CCARS increases the contrast from CARS technique, decreasing the non-resonant background, a problem that afflicts the scientific community dedicated to the use of this technique. Besides the decrease of the non-resonant background, the CCARS emission occurs in a different wavelength from any other non-linear coherent effect, meaning a minimum complexity increase for its detection when compared with CARS. Finally we show some applications performed with the experimental system developed to integrate several optical modalities in parallel, especially the generation of harmonics with two photons excitation fluorescence and their variants such as Fluorescence Lifetime Imaging [FLIM] / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 830406/2010 / CAPES

Articular cartilage has been imaged using the following multi-photon modalities: Second Harmonic Generation (SHG), Two-photon Fluorescence (TPF) and Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS). A simple epi detection microscope was constructed for SHG and TPF imaging in the early stages of this research. Later the imaging was transferred to a new microscope system which allowed simultaneous forwards and epi detection and combined CARS imaging with TPF and SHG. Multiphoton spectroscopic studies were conducted on both intact tissue samples and the major components of the extracellular matrix, in order to identify sources of TPF. Fluorescence was detected from type II collagen, elastin and samples of purified collagen and elastin crosslinks. Age related glycation crosslinks of collagen may be a significant source of TPF. No fluorescence was detected from proteoglycans. In intact, unfixed healthy articular cartilage the cells were observed via CARS, surrounded in their pericellular matrix which is characterised by an increase in TPF. The collagen of the extra cellular matrix showed up clearly in the SHG images. Diseased cartilage was also imaged revealing microscopic lesion at the articular surface in early osteoarthritis and highly fibrous collagen structures and cell clusters in more advanced degeneration. In young healthy cartilage a network of elastin fibres were found lying parallel to the articular surface in the most superficial 50μm of the tissue. Regional variations in these fibres were also investigated. The fibres appeared mainly long and straight suggesting that they may be under tension, further work is needed to identify whether they have a mechanical function. The polarization sensitivity of the SHG from collagen has been investigated for both cartilage and tendon. In the most superficial tissue these measurements can be used directly to determine the collagen fibre orientation. However at increasing depths the effects of biattenuation and birefringence must be considered. Healthy cartilage has a characteristic pattern of polarization sensitivity with depth and this changes at lesions indicating a disruption of the normal collagen architecture. The methods developed in this thesis demonstrate the use of non-linear microscopy to visualise the structure of the extracellular matrix and cells in intact unstained tissue. They should also be appropriate in many areas of cell and matrix biology.

Technological progress in commercializing ultrafast lasers and detectors has allowed realization of cooperative processes on an ultrashort time scale, which demand a re-evaluation of the conventional cooperative phenomena with a new insight. Ultrafast cooperative phenomena in coherently prepared media and various applications of superfluorescence and coherent Raman scattering are studied in this dissertation. In particular, a simple theoretical testimony on analogy between a cooperative emission and coherent Raman scattering is presented by offering an opportunity to perform parallel research on these two processes from a unified point of view. On one hand, the superfluorescent pulse with a time duration of a few tens of picoseconds (ps) from alkali metal vapor is observed for the first time, even though cooperative phenomena in atomic vapor have been extensively studied for more than five decades. A dense rubidium vapor pumped by ultrashort (100 femtosecond, fs) pulses allows a realization of the ultrafast superfluorescence while a time-resolved study of superfluorescence is accomplished by using a streak camera with 2 ps time resolution. Experimental research on quantum nature of cooperative emissions has been “frozen” over the years (three decades) possibly because of the technical difficulties. Quantum fluctuations of superfluorescence development are explored experimentally by taking advantage of the ultra fast streak camera. Presumable applications of the superfluorescent pulse in e.g., a remote sensing, and an ultraviolet upconversion of the input infrared laser pulse are presented. The quantum interference due to different excitation pathways is revealed by the temporal coherent control technique while observing interferometric signals from alkali metal vapors. On the other hand, a new spectroscopic technique based on ultrafast coherent Raman scattering is developed. The key advantage of the presented technique is to suppress the non-resonant background noise which usually obscures possible applications of the other conventional coherent Raman techniques in practice. A reduction of the background noise is achieved by shaping and delaying the third pulse which probes the coherence of the medium (i.e., an enhancement of specific vibrations of the target molecules in unison) firstly prepared by two broadband pulses. We demonstrate a robustness and superiority of signal-to-noise ratio of the developed technique by identifying as few as 10000 bacterial spores at a single laser shot level. Finally, several comparative studies between cooperative and uncooperative processes are presented. A picosecond cooperative phenomenon in a three-photon resonant medium induced by a single as well as two-color ultrashort pulses is investigated. A time-resolved study shows that a picosecond cooperative effect is crucial in the well-established fields of resonant-enhanced multiphoton ionizations and harmonic generations. We also present a quantitative analysis for spontaneous versus broadband coherent Raman scattering on pyridine molecules. The spontaneous Raman signal is enhanced by 5 orders as a result of cooperative phenomena.

Over the last 50 years, flow cytometry has evolved from a modest cell counter into an invaluable analytical tool that measures an ever-expanding variety of phenotypes. Flow cytometers interrogate passing samples with laser light and measure the elastically scattered photons to ascertain information about sample size, granularity, and basic morphology. Obtaining molecular information, however, requires the addition of exogenous fluorescent labels. These labels, although a power tool, have numerous challenges and limitations such as large emission spectra and cellular toxicity. To move beyond fluorescent labels in microscopy, a variety of techniques that probe the intrinsic Raman vibrations within a sample have been developed, such as coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and Raman microspectroscopy. In this dissertation, I present the first development of a label-free flow cytometer that measures the elastically scattered photons and probes the intrinsic Raman vibrations of passing samples using multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (MCARS). MCARS, a coherent Raman technique that probes a large region of the Raman spectrum simultaneously, provides rich molecularly-sensitive information. Furthermore, I present its application to sorting polymer microparticles and its use in two example biological applications: monitoring lipid bodies within cultures of Saccharomyces cerevisiae, a model yeast with numerous human homologs, and monitoring the affect of nitrogen starvation on Phaeodactylum tricornutum, a diatom, which is being genetically engineered to efficiently produce biofuels.

Microscopy techniques have been developed and refined over multiple decades, but innovation around single photon modalities has slowed. The advancement of the utility of information acquired, and minimum resolution available is seemingly reaching an asymptote. The fusion of light microscopy and well-studied nonlinear processes has broken through this barrier and enabled the collection of vast amounts of additional information beyond the topographical information relayed by traditional microscopes. Through nonlinear imaging modalities, chemical information can also be extracted from tissue. Nonlinear microscopy also can beat the resolution limit caused by diffraction, and offers up three-dimensional capabilities. The power of nonlinear imaging has been demonstrated by countless research groups, solidifying it as a major player in biomedical imaging. The value of a nonlinear imaging system could be enhanced if a reduction in size would permit the insertion into bodily cavities, as has been demonstrated by linear imaging endoscopes. The miniaturization of single photon imaging devices has led to significant advancements in diagnostics and treatment in the medical field. Much more information can be extracted from a patient if the tissue can be imaged in vivo, a capability that traditional, bulky, table top microscopes cannot offer. The development of new technologies in optics has enabled the miniaturization of many critical components of standard microscopes. It is possible to combine nonlinear techniques with these miniaturized elements into a portable, hand held microscope that can be applied to various facets of the biomedical field. The research demonstrated in this thesis is based on the selection, testing and assembly of several miniaturized optical components for use as a nonlinear imaging device. This thesis is the first demonstration of a fibre delivered, microelectromechanical systems mirror with miniaturized optics housed in a portable, hand held package. Specifically, it is designed for coherent anti-Stokes Raman scattering, second harmonic generation, and two-photon excitation fluorescence imaging. Depending on the modality being exploited, different chemical information can be extracted from the sample being imaged. This miniaturized microscope can be applied to diagnostics and treatments of spinal cord diseases and injuries, atherosclerosis research, cancer tumour identification and a plethora of other biomedical applications. The device that will be revealed in the upcoming text is validated by demonstrating all designed-for nonlinear modalities, and later will be used to perform serialized imaging of myelin of a single specimen over time.

Técnicas experimentais de óptica não-linear resolvidas no tempo são capazes, em diversas situações, de fornecer mais informações sobre a dinâmica e estrutura molecular do que técnicas sem nenhuma resolução temporal. Nesta tese investigou-se três sistemas com técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo, utilizando pulsos ultra-curtos de um sistema LASER amplificado, baseado em cristal de Ti:Safira, e de amplificadores ópticos paramétricos. Para este estudo foram implementadas e analisadas quatro diferentes técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo: Espalhamento Raman anti-Stokes Coerente (CARS), Espalhamento hiper-Rayleigh Resolvido no Tempo (TRHRS), Bombeio-Prova e Bombeio- Depleção-Prova. O três sistemas investigados apresentam um grau crescente de complexidade nas suas dinâmicas e interações com o meio. O primeiro dos sistemas estudados foi a dinâmica da molécula de H2 no regime de impacto, na presença de moléculas e átomos perturbadores (N2 e He). Foi possível determinar, pela primeira vez, coeficientes de alargamento para o ramo Q devido à colisões entre H2+H2 utilizando a técnica de CARS resolvido temporalmente, bem como novos coeficientes para o deslocamento das linhas. O emprego da mesma técnica em sistemas binários lançou mais luz sobre a possibilidade de existir alguma não-homogeneidade em tais tipos de colisões. O segundo experimento investigou a dinâmica de relaxação orientacional da acetonitrila em solução utilizando a nova técnica de TRHRS; esta foi desenvolvida e testada com sucesso pela primeira vez neste trabalho. Um modelamento teórico mostra que dentro do modelo de Debye para a difusão rotacional, tempos associados ao terceiro momento do tempo de difusão (τ3) e ao primeiro momento (τ1) devem ser observados. Os resultados experimentais para a acetonitrila apresentam um decaimento consistente com este modelo (τ3~850 fs), concordando também com valores derivados de resultados experimentais e teóricos obtidos por outros métodos. Além disso, também foi observado experimentalmente uma segunda componente mais rápida (~50 fs), que não pôde ser explicada dentro do modelo de difusão rotacional livre. Esta componente foi atribuída a efeitos reorientacionais coletivos em conjunto com efeitos de superposição temporal de pulsos. A interpretação do sinal desta nova técnica foi testada com sucesso realizando o experimento em tetracloreto de carbono.O terceiro sistema investigado foi a dinâmica de relaxação de energia intramolecular de carotenóides. A principal questão, da vii existência ou não de estados eletrônicos adicionais, foi abordada utilizando uma modificação da técnica de Bombeio e Prova, denominada de Bombeio-Depleção-Prova. A técnica de Bombeio-Depleção-Prova foi pela primeira vez utilizada em carotenóides, possibilitando observar dinâmicas nunca vistas por qualquer outra técnica experimental. Dentro da resolução temporal dos experimentos realizados, a presença de novos estados eletrônicos em carotenóides livres em solução é descartada. Além disso, uma nova ferramenta de análise de dados foi desenvolvida. A análise de alvos espectrais baseada em um algoritmo evolutivo trouxe mais argumentos para o modelo clássico de três níveis. A dinâmica de carotenóides livres em solução foi comparada com sua dinâmica quando inseridos no complexo fotossintético de coleta de luz (LH2) da bactéria púrpura, utilizando para isso a técnica de Bombeio e Prova. Os resultados obtidos mostram um sistema de níveis de energia mais complexo do que quando o carotenóide está livre em solução. Esta modificação devido ao ambiente é possivelmente gerada pela quebra de simetria do carotenóide quando inserido no complexo LH2, possibilitando o cruzamento entre sistemas (singlete-triplete).

Der Energietransfer von elektronischer Energie in Schwingungs- und Rotationsenergie ist einer der elementarsten nichtadiabatischen Prozesse. Obwohl diese Prozesse seit langen untersucht werden, sind sie nicht im Detail verstanden. Das StoBsystem Na+H2 hat dabei Modellcharakter. Natrium ist ein Wasserstoffãhnliches Atom mit einem s-Elektron auf der auBersten Schale, und H2 ist das einfachste Molekül überhaupt. Ab initio Potentialflachen- Berechnungen sind deshalb mit guter Genauigkeit moglich und auch durchgef iihrt worden. Die elektronische Energie des Na-Atoms von 2,1eV wird dabei durch einen nichtadiabatischen Stoi3 in Schwingungs- und Rotationsenergie des H2-Moleküls iibertragen; ein Vorgang der auch als "Quenchen" bekannt ist. Von essentieller Bedeutung ist es, welche Schwingungs- und Rotationszustãnde besetzt werden. Es gab bisher keine experimentelle Untersuchung, bei der die interne Energieverteilung des H2-Moleküls direkt untersucht wurde. Der Grund dafür ist der, daB konventionelle Techniken zum Nachweis von H2 nicht geeignet sind. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es, erstmals CARS (Kohirente Antistokes-Raman-Streuung) für die oben genannten StoBprozesse einzusetzen und nachzuprüfen, wie gut sich diese Technik anwenden IãBt. CARS ist seit vielen Jahren bekannt, hat jedoch erst in der letzten Zeit durch die Entwicklung von intensiven gepulsten Laser mit geringer Bandbreite sehr an Bedeutung gewonnen. Insbesonders CARS an Wasserstoff wurde intensiv untersucht, nicht jedoch mit Beimischung von Natrium. Im vorliegenden Gasgemisch aus Natrium und H2 erzeugt Natrium durch seine energetisch sehr niedrigen elektronischen Zustãnde einen nichtresonanten Untergrund, der die Nachweis-Wahrscheinlichkeit so stark reduzieren kann, daí3 eine sinnvolle Anwendung nicht mehr mõglich sein konnte. Es ist gelungen zu zeigen, dali trotz eines enormen nichtresonanten Untergrundes eine sehr hohe Nachweiswahrscheinlichkeit mit CARS erzielt werden kann. Sie betrãgt für H2 mit Na im Grundzustand 1012 Teilchen pro cm3 und Quantenzustand und in Gegenwart von angeregtem Natrium 1013 Teilchen pro cm 3 und Quantenzustand. Mit der neu gebauten CARS-Apparatur wurde eine Reihe von neuen Experimenten durchgef a) Es konnte erstmals direkt die Schwingungsverteilung von H2 nach dem Quenchprozel3 bestimmt werden. Es konnte die absolute Besetzung der Schwingungszustãnde v=3,2 und 1 bestimmt werden. Eine Besetzung bei v=4 wurde nicht beobachtet. b) Mit einer zeitabhãngigen CARS-Messung konnte erstmalig die Schwingungsrelaxation der genannten Schwingungszustãnde gemessen und mit einem Ratengleichungsmodell die Ratenkonstanten mit sehr guter Obereinstimmung bestimmt werden. c) Aus der Besetzung der Schwingungszustãnde laBt sich ein absoluter Querschnitt für den Quenchprozei bestimmen. In Vergleich zu den klassischen Fluoreszenzmethoden wird dabei nicht die Abnahme der Fluoreszenz durch den StoBgasdruck bestimmt, sondern die direkte Besetzung des Quenchers nachgewiesen. Diese Methode wird erstmalig vorgestellt. Sie ist viel weniger empfindlich auf Verunreinigungen. Der erhaltene Wert für den Quenchquerschnitt betragt aq=12A2. d) Es laBt sich auch eine Aussage Uber die Rotationsbesetzung nach dem QuenchprozeB machen. Sie konnte bestimmt werden und ist nahezu thermisch, d.h. sie hat dieselbe Temperatur wie die Zelle. Dieses Ergebnis ist in übereinstimmung mit theoretische Modellen und bestãtigt die Vorstellung, dali das p-Orbital des angeregten Natriums sich bei Annãherung an das H2-Molekül ausrichtet und der QuenchprozeB vorwiegend in C2v -Symmetrie ablauft. Es ist gelungen zu zeigen, daB CARS sich erfolgreich für Untersuchungen an nichtadiabatischen StoBprozessen einsetzen laBt. Dadurch wurde erstmals erzielt. / Nonadiabatic collisions between atoms and molecules have drawn a large amount of attention in theoretical and experimental studies. In particular, the transfer of electronic energy of an atom to the vibrational, rotational and translational energy of a diatomic molecule (also called electronic quenching) can be considered an important fundamental process of this type and is thus extensively investigated. We study the Na + 112 as a model collision system for experimental and theoretical reasons since ab initio potential surfaces are currently available, enabling comparison of experimental results with theoretical calculations. We apply a new experimental technique in the field of nonadiabatic processes to obtain a more detailed understanding of these energy transfer processes. We use Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) to measure directly the internai energy distribution of H2 molecules produced by quenching of Na in the first excited state (3 2P112). Although CARS has been used to detect 112 among other species, it has never been applied to gaseous mixtures with H2 and atomic or molecular sodium. Sodium with its low lying electronic states produces a strong nonresonant background that strongly reduces the sensitivity of CARS. With a new constructed apparatus a sensitivity for H2 of 1012 particles per cm3 and quantum state in the presence of ground state sodium was achieved and 1013 particles per cm3 and quantum state with excited sodium. The following results were obtained: 1. The absolute population of vibrational leveis up to v=3 has been obtained and was found to be extremly nonthermal. The state distribution is, however, in good agreement with the available theoretical predictions. 2. With a time resolved CARS experiment we monitored the vibrational relaxation of these states. For this experiment we use excited sodium as an effective way to produce vibrationally hot hydrogen. With a simple model, we determined for the first time the vibrational relaxation time for v=3, 2 and 1 to be 2.4ps, 3.4ps and 31ps respectively. 3. From the measured absolute populations of the vibrational states of hydrogen the absolute cross section for the quenching process can be determined. This novel technique is not sensitive to impurities that also quench the electronic states of sodium very effectively. Our method involves only processes that produce vibrationally excited hydrogen. Due to the large vibrational spacing only H2 molecules that have undergone a quenching process are vibrationally excited. The cross section we determinei! is 12 cA'2, and is smaller than literature values due to the effect described. 4. We also measured the rotational distribution for different vibrational leveis. At the sensitivity limit of our apparatus the rotational distribution was estimated to be nearly thermal. This fact is also in good agreement with theoretical models for the collision process. It has heen shown that CARS is a very usefull spectroscopic technique with sufficient sensitivity to be applied to the study of nonadiabatic collision processes. CARS was used for the first time to investigate these processes and gave the new interesting results shown above.

Técnicas experimentais de óptica não-linear resolvidas no tempo são capazes, em diversas situações, de fornecer mais informações sobre a dinâmica e estrutura molecular do que técnicas sem nenhuma resolução temporal. Nesta tese investigou-se três sistemas com técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo, utilizando pulsos ultra-curtos de um sistema LASER amplificado, baseado em cristal de Ti:Safira, e de amplificadores ópticos paramétricos. Para este estudo foram implementadas e analisadas quatro diferentes técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo: Espalhamento Raman anti-Stokes Coerente (CARS), Espalhamento hiper-Rayleigh Resolvido no Tempo (TRHRS), Bombeio-Prova e Bombeio- Depleção-Prova. O três sistemas investigados apresentam um grau crescente de complexidade nas suas dinâmicas e interações com o meio. O primeiro dos sistemas estudados foi a dinâmica da molécula de H2 no regime de impacto, na presença de moléculas e átomos perturbadores (N2 e He). Foi possível determinar, pela primeira vez, coeficientes de alargamento para o ramo Q devido à colisões entre H2+H2 utilizando a técnica de CARS resolvido temporalmente, bem como novos coeficientes para o deslocamento das linhas. O emprego da mesma técnica em sistemas binários lançou mais luz sobre a possibilidade de existir alguma não-homogeneidade em tais tipos de colisões. O segundo experimento investigou a dinâmica de relaxação orientacional da acetonitrila em solução utilizando a nova técnica de TRHRS; esta foi desenvolvida e testada com sucesso pela primeira vez neste trabalho. Um modelamento teórico mostra que dentro do modelo de Debye para a difusão rotacional, tempos associados ao terceiro momento do tempo de difusão (τ3) e ao primeiro momento (τ1) devem ser observados. Os resultados experimentais para a acetonitrila apresentam um decaimento consistente com este modelo (τ3~850 fs), concordando também com valores derivados de resultados experimentais e teóricos obtidos por outros métodos. Além disso, também foi observado experimentalmente uma segunda componente mais rápida (~50 fs), que não pôde ser explicada dentro do modelo de difusão rotacional livre. Esta componente foi atribuída a efeitos reorientacionais coletivos em conjunto com efeitos de superposição temporal de pulsos. A interpretação do sinal desta nova técnica foi testada com sucesso realizando o experimento em tetracloreto de carbono.O terceiro sistema investigado foi a dinâmica de relaxação de energia intramolecular de carotenóides. A principal questão, da vii existência ou não de estados eletrônicos adicionais, foi abordada utilizando uma modificação da técnica de Bombeio e Prova, denominada de Bombeio-Depleção-Prova. A técnica de Bombeio-Depleção-Prova foi pela primeira vez utilizada em carotenóides, possibilitando observar dinâmicas nunca vistas por qualquer outra técnica experimental. Dentro da resolução temporal dos experimentos realizados, a presença de novos estados eletrônicos em carotenóides livres em solução é descartada. Além disso, uma nova ferramenta de análise de dados foi desenvolvida. A análise de alvos espectrais baseada em um algoritmo evolutivo trouxe mais argumentos para o modelo clássico de três níveis. A dinâmica de carotenóides livres em solução foi comparada com sua dinâmica quando inseridos no complexo fotossintético de coleta de luz (LH2) da bactéria púrpura, utilizando para isso a técnica de Bombeio e Prova. Os resultados obtidos mostram um sistema de níveis de energia mais complexo do que quando o carotenóide está livre em solução. Esta modificação devido ao ambiente é possivelmente gerada pela quebra de simetria do carotenóide quando inserido no complexo LH2, possibilitando o cruzamento entre sistemas (singlete-triplete).

Der Energietransfer von elektronischer Energie in Schwingungs- und Rotationsenergie ist einer der elementarsten nichtadiabatischen Prozesse. Obwohl diese Prozesse seit langen untersucht werden, sind sie nicht im Detail verstanden. Das StoBsystem Na+H2 hat dabei Modellcharakter. Natrium ist ein Wasserstoffãhnliches Atom mit einem s-Elektron auf der auBersten Schale, und H2 ist das einfachste Molekül überhaupt. Ab initio Potentialflachen- Berechnungen sind deshalb mit guter Genauigkeit moglich und auch durchgef iihrt worden. Die elektronische Energie des Na-Atoms von 2,1eV wird dabei durch einen nichtadiabatischen Stoi3 in Schwingungs- und Rotationsenergie des H2-Moleküls iibertragen; ein Vorgang der auch als "Quenchen" bekannt ist. Von essentieller Bedeutung ist es, welche Schwingungs- und Rotationszustãnde besetzt werden. Es gab bisher keine experimentelle Untersuchung, bei der die interne Energieverteilung des H2-Moleküls direkt untersucht wurde. Der Grund dafür ist der, daB konventionelle Techniken zum Nachweis von H2 nicht geeignet sind. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es, erstmals CARS (Kohirente Antistokes-Raman-Streuung) für die oben genannten StoBprozesse einzusetzen und nachzuprüfen, wie gut sich diese Technik anwenden IãBt. CARS ist seit vielen Jahren bekannt, hat jedoch erst in der letzten Zeit durch die Entwicklung von intensiven gepulsten Laser mit geringer Bandbreite sehr an Bedeutung gewonnen. Insbesonders CARS an Wasserstoff wurde intensiv untersucht, nicht jedoch mit Beimischung von Natrium. Im vorliegenden Gasgemisch aus Natrium und H2 erzeugt Natrium durch seine energetisch sehr niedrigen elektronischen Zustãnde einen nichtresonanten Untergrund, der die Nachweis-Wahrscheinlichkeit so stark reduzieren kann, daí3 eine sinnvolle Anwendung nicht mehr mõglich sein konnte. Es ist gelungen zu zeigen, dali trotz eines enormen nichtresonanten Untergrundes eine sehr hohe Nachweiswahrscheinlichkeit mit CARS erzielt werden kann. Sie betrãgt für H2 mit Na im Grundzustand 1012 Teilchen pro cm3 und Quantenzustand und in Gegenwart von angeregtem Natrium 1013 Teilchen pro cm 3 und Quantenzustand. Mit der neu gebauten CARS-Apparatur wurde eine Reihe von neuen Experimenten durchgef a) Es konnte erstmals direkt die Schwingungsverteilung von H2 nach dem Quenchprozel3 bestimmt werden. Es konnte die absolute Besetzung der Schwingungszustãnde v=3,2 und 1 bestimmt werden. Eine Besetzung bei v=4 wurde nicht beobachtet. b) Mit einer zeitabhãngigen CARS-Messung konnte erstmalig die Schwingungsrelaxation der genannten Schwingungszustãnde gemessen und mit einem Ratengleichungsmodell die Ratenkonstanten mit sehr guter Obereinstimmung bestimmt werden. c) Aus der Besetzung der Schwingungszustãnde laBt sich ein absoluter Querschnitt für den Quenchprozei bestimmen. In Vergleich zu den klassischen Fluoreszenzmethoden wird dabei nicht die Abnahme der Fluoreszenz durch den StoBgasdruck bestimmt, sondern die direkte Besetzung des Quenchers nachgewiesen. Diese Methode wird erstmalig vorgestellt. Sie ist viel weniger empfindlich auf Verunreinigungen. Der erhaltene Wert für den Quenchquerschnitt betragt aq=12A2. d) Es laBt sich auch eine Aussage Uber die Rotationsbesetzung nach dem QuenchprozeB machen. Sie konnte bestimmt werden und ist nahezu thermisch, d.h. sie hat dieselbe Temperatur wie die Zelle. Dieses Ergebnis ist in übereinstimmung mit theoretische Modellen und bestãtigt die Vorstellung, dali das p-Orbital des angeregten Natriums sich bei Annãherung an das H2-Molekül ausrichtet und der QuenchprozeB vorwiegend in C2v -Symmetrie ablauft. Es ist gelungen zu zeigen, daB CARS sich erfolgreich für Untersuchungen an nichtadiabatischen StoBprozessen einsetzen laBt. Dadurch wurde erstmals erzielt. / Nonadiabatic collisions between atoms and molecules have drawn a large amount of attention in theoretical and experimental studies. In particular, the transfer of electronic energy of an atom to the vibrational, rotational and translational energy of a diatomic molecule (also called electronic quenching) can be considered an important fundamental process of this type and is thus extensively investigated. We study the Na + 112 as a model collision system for experimental and theoretical reasons since ab initio potential surfaces are currently available, enabling comparison of experimental results with theoretical calculations. We apply a new experimental technique in the field of nonadiabatic processes to obtain a more detailed understanding of these energy transfer processes. We use Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) to measure directly the internai energy distribution of H2 molecules produced by quenching of Na in the first excited state (3 2P112). Although CARS has been used to detect 112 among other species, it has never been applied to gaseous mixtures with H2 and atomic or molecular sodium. Sodium with its low lying electronic states produces a strong nonresonant background that strongly reduces the sensitivity of CARS. With a new constructed apparatus a sensitivity for H2 of 1012 particles per cm3 and quantum state in the presence of ground state sodium was achieved and 1013 particles per cm3 and quantum state with excited sodium. The following results were obtained: 1. The absolute population of vibrational leveis up to v=3 has been obtained and was found to be extremly nonthermal. The state distribution is, however, in good agreement with the available theoretical predictions. 2. With a time resolved CARS experiment we monitored the vibrational relaxation of these states. For this experiment we use excited sodium as an effective way to produce vibrationally hot hydrogen. With a simple model, we determined for the first time the vibrational relaxation time for v=3, 2 and 1 to be 2.4ps, 3.4ps and 31ps respectively. 3. From the measured absolute populations of the vibrational states of hydrogen the absolute cross section for the quenching process can be determined. This novel technique is not sensitive to impurities that also quench the electronic states of sodium very effectively. Our method involves only processes that produce vibrationally excited hydrogen. Due to the large vibrational spacing only H2 molecules that have undergone a quenching process are vibrationally excited. The cross section we determinei! is 12 cA'2, and is smaller than literature values due to the effect described. 4. We also measured the rotational distribution for different vibrational leveis. At the sensitivity limit of our apparatus the rotational distribution was estimated to be nearly thermal. This fact is also in good agreement with theoretical models for the collision process. It has heen shown that CARS is a very usefull spectroscopic technique with sufficient sensitivity to be applied to the study of nonadiabatic collision processes. CARS was used for the first time to investigate these processes and gave the new interesting results shown above.

Técnicas experimentais de óptica não-linear resolvidas no tempo são capazes, em diversas situações, de fornecer mais informações sobre a dinâmica e estrutura molecular do que técnicas sem nenhuma resolução temporal. Nesta tese investigou-se três sistemas com técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo, utilizando pulsos ultra-curtos de um sistema LASER amplificado, baseado em cristal de Ti:Safira, e de amplificadores ópticos paramétricos. Para este estudo foram implementadas e analisadas quatro diferentes técnicas espectroscópicas resolvidas no tempo: Espalhamento Raman anti-Stokes Coerente (CARS), Espalhamento hiper-Rayleigh Resolvido no Tempo (TRHRS), Bombeio-Prova e Bombeio- Depleção-Prova. O três sistemas investigados apresentam um grau crescente de complexidade nas suas dinâmicas e interações com o meio. O primeiro dos sistemas estudados foi a dinâmica da molécula de H2 no regime de impacto, na presença de moléculas e átomos perturbadores (N2 e He). Foi possível determinar, pela primeira vez, coeficientes de alargamento para o ramo Q devido à colisões entre H2+H2 utilizando a técnica de CARS resolvido temporalmente, bem como novos coeficientes para o deslocamento das linhas. O emprego da mesma técnica em sistemas binários lançou mais luz sobre a possibilidade de existir alguma não-homogeneidade em tais tipos de colisões. O segundo experimento investigou a dinâmica de relaxação orientacional da acetonitrila em solução utilizando a nova técnica de TRHRS; esta foi desenvolvida e testada com sucesso pela primeira vez neste trabalho. Um modelamento teórico mostra que dentro do modelo de Debye para a difusão rotacional, tempos associados ao terceiro momento do tempo de difusão (τ3) e ao primeiro momento (τ1) devem ser observados. Os resultados experimentais para a acetonitrila apresentam um decaimento consistente com este modelo (τ3~850 fs), concordando também com valores derivados de resultados experimentais e teóricos obtidos por outros métodos. Além disso, também foi observado experimentalmente uma segunda componente mais rápida (~50 fs), que não pôde ser explicada dentro do modelo de difusão rotacional livre. Esta componente foi atribuída a efeitos reorientacionais coletivos em conjunto com efeitos de superposição temporal de pulsos. A interpretação do sinal desta nova técnica foi testada com sucesso realizando o experimento em tetracloreto de carbono.O terceiro sistema investigado foi a dinâmica de relaxação de energia intramolecular de carotenóides. A principal questão, da vii existência ou não de estados eletrônicos adicionais, foi abordada utilizando uma modificação da técnica de Bombeio e Prova, denominada de Bombeio-Depleção-Prova. A técnica de Bombeio-Depleção-Prova foi pela primeira vez utilizada em carotenóides, possibilitando observar dinâmicas nunca vistas por qualquer outra técnica experimental. Dentro da resolução temporal dos experimentos realizados, a presença de novos estados eletrônicos em carotenóides livres em solução é descartada. Além disso, uma nova ferramenta de análise de dados foi desenvolvida. A análise de alvos espectrais baseada em um algoritmo evolutivo trouxe mais argumentos para o modelo clássico de três níveis. A dinâmica de carotenóides livres em solução foi comparada com sua dinâmica quando inseridos no complexo fotossintético de coleta de luz (LH2) da bactéria púrpura, utilizando para isso a técnica de Bombeio e Prova. Os resultados obtidos mostram um sistema de níveis de energia mais complexo do que quando o carotenóide está livre em solução. Esta modificação devido ao ambiente é possivelmente gerada pela quebra de simetria do carotenóide quando inserido no complexo LH2, possibilitando o cruzamento entre sistemas (singlete-triplete).