Neste trabalho usamos pulsos de femtossegundos na fabricação de estruturas poliméricas em escala microscópica, através da técnica de fotopolimerização via absorção de dois fótons. Graças ao confinamento espacial da polimerização, resultante do processo de absorção de dois fótons, este método permite a fabricação de microestruturas tridimensionais complexas, com alta resolução, visando diversas aplicações tecnológicas, de fotônica até biologia. Inicialmente, desenvolvemos a técnica de fotopolimerização via absorção de dois fótons, desde a implantação da montagem óptica até a confecção dos sistemas de movimentação e controle do posicionamento do feixe laser. Através da fabricação e caracterização de microestruturas, produzidas em resinas acrílicas, o sistema foi aperfeiçoado permitindo a produção de microestruturas da pordem de 30um com razoável resolução espacial. Uma vez que a maior parte as microestruturas reportadas na literatura são elementos passivos, ou seja, suas propriedades ópticas não podem ser controladas por meios externos, numa segunda etapa deste projeto produzimos microestruturas opticamente ativas. Neste caso, a microfabricação foi feita em resinas acrílicas dopadas Rodamina B, exibindo, portanto, fluorescência quando excitadas com luz de comprimento de onda em torno de 540nm. Finalmente, visando a produção eficiente de estruturas em escala milimétrica para aplicações biológicas, implementamos também um sistema de fotopolomerização via absorção de um fóton. / In this work we used femtosecond pulses to fabricate polymeric structures at microscopic scale, by using the two-photon photopolymerization technique. Due to the spatial confinement of the polymerization, provided by the two-photon absorption, this method allows for the fabrication of complex three-dimensional microstructures, with high resolution, aiming to several technological applications, from photonics to biology. Initially, we developed the two-photon polimerization technique, from the optical setup to the mechanical systems to control the movement and the positioning of the laser beam. Through the fabrication and characterization os microestrutures, produced in acrylic resin, the apparatus was improved, allowing the fabriation of 30-um microstructures with reasonable spatial resolution. Since most the report in the literature are passive elements that is, their optical properties cannot be altered by any external means, in a second stage of this project we fabricated optical active microstructures. In this case, the microfabrication was carried out in acrylic resins doped with Rodamine B, exhibiting, consenquently, fluorescence when excited with light at 540nm. Finally, in order to eficiently produce milimetric structures for biological applications, we also implemented a one-photon polimerization setup.

Através da absorção de um e de dois fótons estudamos as diferentes transições do íon \'Gd POT.+3\' e GGG. Utilizando técnicas espectroscópicas com laser pulsado e laser contínuo, analisamos a influência do campo cristalino sobre o íon. Estes resultados estão em concordância com as previsões advindas da teoria de grupo. A partir da análise dos espectros de luminescência das amostras de GdAl\'O IND.3\', conseguimos detectar pequenos traços de impurezas nas mesmas. Não conseguimos detectar nenhuma anomalia nos espectros obtidos, de modo a não acreditarmos na existência de alguma interação Gadolínio - Galdoíno, acima da temperatura de transição de fase. Laser de corante contínuo de alta resolução, laser de corante pulsado foram construídos para a realização dos experimentos. Também desenvolvemos os equipamentos eletrônicos envolvidos. / The different transitions of \'Gd POT.3+\' ion in samples of GdAl\'O IND.3\' and GGG were studied by means of the absorption of one and two photons. The crystalline field influence an the ion was studied by using spectroscopic techniques with pulsed laser as well as continuous laser. These results are in agreement with the group theory prediction. From the luminescence spectrum of this sample little impurities aspects in the GdA1\'O IND.3\' sample were detected. No anomaly was detected in the spectra obtained so that we believed there is no \'Gd POT.3+\'-\'Gd POT.3+\' interaction above the phase transition temperature. High resolution continuous dye laser and pulsed die laser were built up to carry out the experiments. The electronic equipment used in the experiment was developed by us.

Neste trabalho usamos pulsos de femtossegundos na fabricação de estruturas poliméricas em escala microscópica, através da técnica de fotopolimerização via absorção de dois fótons. Graças ao confinamento espacial da polimerização, resultante do processo de absorção de dois fótons, este método permite a fabricação de microestruturas tridimensionais complexas, com alta resolução, visando diversas aplicações tecnológicas, de fotônica até biologia. Inicialmente, desenvolvemos a técnica de fotopolimerização via absorção de dois fótons, desde a implantação da montagem óptica até a confecção dos sistemas de movimentação e controle do posicionamento do feixe laser. Através da fabricação e caracterização de microestruturas, produzidas em resinas acrílicas, o sistema foi aperfeiçoado permitindo a produção de microestruturas da pordem de 30um com razoável resolução espacial. Uma vez que a maior parte as microestruturas reportadas na literatura são elementos passivos, ou seja, suas propriedades ópticas não podem ser controladas por meios externos, numa segunda etapa deste projeto produzimos microestruturas opticamente ativas. Neste caso, a microfabricação foi feita em resinas acrílicas dopadas Rodamina B, exibindo, portanto, fluorescência quando excitadas com luz de comprimento de onda em torno de 540nm. Finalmente, visando a produção eficiente de estruturas em escala milimétrica para aplicações biológicas, implementamos também um sistema de fotopolomerização via absorção de um fóton. / In this work we used femtosecond pulses to fabricate polymeric structures at microscopic scale, by using the two-photon photopolymerization technique. Due to the spatial confinement of the polymerization, provided by the two-photon absorption, this method allows for the fabrication of complex three-dimensional microstructures, with high resolution, aiming to several technological applications, from photonics to biology. Initially, we developed the two-photon polimerization technique, from the optical setup to the mechanical systems to control the movement and the positioning of the laser beam. Through the fabrication and characterization os microestrutures, produced in acrylic resin, the apparatus was improved, allowing the fabriation of 30-um microstructures with reasonable spatial resolution. Since most the report in the literature are passive elements that is, their optical properties cannot be altered by any external means, in a second stage of this project we fabricated optical active microstructures. In this case, the microfabrication was carried out in acrylic resins doped with Rodamine B, exhibiting, consenquently, fluorescence when excited with light at 540nm. Finally, in order to eficiently produce milimetric structures for biological applications, we also implemented a one-photon polimerization setup.

Através da absorção de um e de dois fótons estudamos as diferentes transições do íon \'Gd POT.+3\' e GGG. Utilizando técnicas espectroscópicas com laser pulsado e laser contínuo, analisamos a influência do campo cristalino sobre o íon. Estes resultados estão em concordância com as previsões advindas da teoria de grupo. A partir da análise dos espectros de luminescência das amostras de GdAl\'O IND.3\', conseguimos detectar pequenos traços de impurezas nas mesmas. Não conseguimos detectar nenhuma anomalia nos espectros obtidos, de modo a não acreditarmos na existência de alguma interação Gadolínio - Galdoíno, acima da temperatura de transição de fase. Laser de corante contínuo de alta resolução, laser de corante pulsado foram construídos para a realização dos experimentos. Também desenvolvemos os equipamentos eletrônicos envolvidos. / The different transitions of \'Gd POT.3+\' ion in samples of GdAl\'O IND.3\' and GGG were studied by means of the absorption of one and two photons. The crystalline field influence an the ion was studied by using spectroscopic techniques with pulsed laser as well as continuous laser. These results are in agreement with the group theory prediction. From the luminescence spectrum of this sample little impurities aspects in the GdA1\'O IND.3\' sample were detected. No anomaly was detected in the spectra obtained so that we believed there is no \'Gd POT.3+\'-\'Gd POT.3+\' interaction above the phase transition temperature. High resolution continuous dye laser and pulsed die laser were built up to carry out the experiments. The electronic equipment used in the experiment was developed by us.

Orientador: Antonio Vidiella-Barranco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T15:39:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gomes_AlvaroFernandez_D.pdf: 1463180 bytes, checksum: e7afc315eaab1eeb818ae16a2027e1de (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: A construção de estados puros do campo eletromagnético é importante não só para o estudo dos fundamentos da mecânica quântica, como a questão do estado gato de Schrõdinger, mas também possui um grande potencial de aplicação, como por exemplo, na computação quântica, na criptografia quântica e nas medidas de alta precisão. Nesta tese, apresentamos três propostas onde o ponto central é o estudo da transferência progressiva de coerência dos átomos para o campo eletromagnético, visando gerar um estado com um alto grau de purificação a partir de um estado de mistura estatística. Para isso utilizamos o micromaser com a interação átomo-campo dado pelo modelo Jaynes-Cummings de dois fótons. No primeiro trabalho consideramos os átomos inicialmente preparados em uma superposição coerente de dois estados (condição necessária para a transferência de coerência átomo-campo) e o campo na cavidade preparado em um estado mistura do. Primeiramente determinamos o melhor tempo de interação de cada átomo para que o estado do campo apresentasse o maior grau de purificação possível. Fixamos esse tempo para todos os átomos e determinamos o grau de pureza do estado final do campo, após N -átomos terem passado pela cavidade. Em nosso segundo trabalho acrescentamos à cavidade um meio não-Iinear tipo Kerr. Utilizando o mesmo procedimento do primeiro caso, obtivemos um menor tempo de interação átomo-campo e um grau de purificação maior para o estado do campo gerado na cavidade, em relação ao primeiro trabalho. Por último, acrescentamos um campo clássico externo interagindo com o átomo dentro da cavidade sem o meio Kerr. Novamente, com o mesmo procedimento dos trabalhos anteriores, verificamos que esse campo, além de influenciar na transferência de coerência átomo-campo, torna desnecessária a preparação dos átomos em uma superposição coerente de dois estados. Visando a caracterização do estado do campo final gerado, foram calculadas a função de coerência de segunda ordem e a quasiprobabilidade conhecida como a função de Husimi (ou função Q) / Abstract: The construction of pure states of the electromagnetic field is important not only for the study of the foundations of the quantum mechanics, such as the question of the Schrõdinger cat states, but also for its potential applications, for example, in quantum computation, quantum criptography and in higher precision measurements. In this thesis, we present three proposals where the central point is the study of the progressive transfer of coherence of atoms to the electromagnetic field, aiming the generation of a state with a higher degree of purity from a mixed state. For this we use the micromaser with the atom-field interaction given by the two-photon Jaynes-Cummings model. In our first work we initially consider atoms prepared in a coherent superposition of two states (necessary condition for the atom-field transfer of coherence) and the field in the cavity prepared in a mixed state. We determine the best interaction time for each atom so that the state of the field presents the highest possible degree of purification. We fix that time for all atoms and determine the degree of purity of the final state of the field, after N -atoms have crossed the cavity. In our second work we add to the cavity a nonlinear Kerr-like medium. Using the same procedure as in the first case, we obtain smaller atom-field interaction times as well as a higher degree of purification for the state of the field generated in the cavity, compared to the first work. Finally, we add an external classical field interacting with the atom inside the cavity without the Kerr medium. Again, with the same procedure of the previous works, we verify that the external field, besides influencing in the atom-field transfer of coherence turns unnecessary the preparation of atoms in a coherent superposition of two states. In order to characterize the state of the generated ( final) field, we have calculated the second order correlation function as well as the quasiprobàbility known as the Husimi function (or Q function) / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Neste trabalho, demonstramos a fabricação de microambientes tridimensionais para investigar o crescimento celular. Inicialmente, desenvolvemos um sistema de microfabricação que utiliza fotopolimerização via absorção de dois fótons, com o qual se pode fabricar um conjunto de microestruturas com formas e espaçamentos pré-determinados. Este sistema de fabricação utiliza pulsos de femtossegundos, provenientes de um laser de Ti:safira operando em 790 nm. A intensidade destes pulsos é alta o bastante para induzir a absorção de dois fótons no fotoiniciador, o qual é responsável por promover a polimerização em uma resina acrílica. A natureza não linear da absorção de dois fótons confina a excitação ao volume focal, permitindo a fabricação de estruturas tridimensionais com alta resolução espacial. Para a obtenção dos microambientes, foi necessário o desenvolvimento de um sistema opto-mecânico de movimentação, tanto do feixe quando do substrato da amostra. Com esta técnica, fabricamos microambientes compostos de estruturas com diferentes formas (paralelepípedos, cilindros e cones) e espaçamentos, os quais foram caracterizados através de microscopia óptica e eletrônica. Para demonstrar a viabilidade destes microambientes para a investigação do crescimento celular, estes foram utilizados para monitorar o desenvolvimento da célula Michigan Cancer Foundation-7 (MCF-7), uma linhagem celular de adenocarcinoma de mama que apresenta fenótipo tumoral amplamente utilizada como modelo de estudo para câncer de mama. Observamos, via microscopia óptica de transmissão e fluorescência, o desenvolvimento das células MCF-7 nos distintos microambientes. Nossos resultados indicam uma melhor aderência e, portanto, desenvolvimento celular nas microestruturas cilíndricas. Observamos ainda uma maior densidade de células nos microambientes com estruturas separadas de 12 µm, a qual diminui com o aumento do espaçamento, de tal forma que para o microambiente com 30 µm, por exemplo, poucas células são observadas. Portanto, nossos resultados demonstram que os microambientes desenvolvidos são viáveis para estudos mais aprofundados em biologia celular, com potenciais aplicações em engenharia de tecido. / In this work we have demonstrated the fabrication of tridimensional microenvironments for the investigation of cell growth. Initially we have developed a two-photon absorption photopolymerization microfabrication system, which allows producing a set of microstructures with predetermined forms and spacing. This fabrication system uses femtosecond pulses from a Ti: sapphire laser operating at 790 nm. These pulses are intense enough to induce two-photon absorption by the photoinitiator, that is responsible for promoting the polymerization in an acrylic resin. The nonlinear nature of the two-photon absorption confines the excitation to the focal volume, allowing the fabrication of tridimensional structures with high spatial resolution. In order to obtain the microenvironments, it was necessary to develop a movement system for both the laser beam and the sample substrate. With this technique we have fabricated microenvironments composed by structures with different geometries (parallelepipeds, cylinders and cones) and spacing, which were characterized by optical and scanning electron microscopes. To demonstrate the feasibility of the microenvironments for the investigation of cell growth, the samples were used to monitor de development of the Michigan Cancer Foundation-7 cell (MCF-7), a lineage of breast adenocarcinoma that has a tumoral phenotype and is highly used as a model in breast cancer studies. We have observed, through conventional optical and fluorescence microscopy, the growth of the MCF-7 cells in the various microenvironments. Our results indicate a better adhesion and, therefore, better development of cells on the cylindrical microstructures. We also observe a higher cell density in the microenvironments with microstructures having a spacing of 12 µm, which reduces as the distance between microstructures increases, in such a way that for the microenvironment with 30 µm spacing, for example, just a few cells are observed. Thus, our results demonstrate that the produced microenvironments are applicable in deeper studies in microbiology, with potential application in tissue engineering.

Neste trabalho estudamos o processo de absorção de dois fótons em compostos azoaromáticos, abordando tanto aspectos fundamentais quanto aplicados. Moléculas azo-aromáticos têm recebido especial atenção nos últimos anos devido as suas potencias aplicações em dispositivos para armazenamento óptico de informação, modulação da luz e geração de relevos em superfície, processes estes associados ao mecanismo de foto isomerização. Os trabalhos apresentados nessa tese tiveram como principal foco explorar o fenômeno de absorção de dois fótons, utilizando a propriedade de foto-isomerização das moléculas azo-aromáticas. Nosso objetivo foi estudar as vantagens que podem ser obtidas pela utilização de pulsos intensos de luz, que interagem de maneira não linear com a matéria, para desenvolver aplicações utilizando compostos azo-aromáticos. Inicialmente, estudamos o processo de absorção de dois fótons em uma nova família de compostos azo-aromáticos, denominados Salen Dyes. Investigamos a influencia da presença de íons metálicos no processo de absorção de dois fótons dessas moléculas. Nossos resultados mostraram que, devido a ausência de conjugação entre as estruturas azo-aromáticas conectadas pelo metal, este tem pouca influência no processo não linear estudado. Pelo uso de um modelo de soma de estado para a seção de choque de absorção de dois fótons, fomos capazes de determinar os momentos de dipolo de transição destas moléculas. Em seguida, implementamos uma técnica para estudar o processo de armazenamento óptico, induzido através da orientação molecular dos compostos azo-aromáticos, via absorção de dois fótons. Observamos que de fato é possível se observar birrefringência induzida por dois fótons nestas moléculas, a qual esta confinada ao volume focal, conforme demonstrado pela obtenção de armazenamento tri-dimensional. Finalmente, exploramos o processo de controle coerente via formatação de pulsos ultra-curtos para manipular o processo de birrefringência induzida por dois fótons em compostos azo-aromáticos. Foi demonstrado que apenas a através da manipulação da fase do pulso ultra-curto, é possível modular a birrefringência induzida em filmes de compostos azo-aromáticos. / Here we investigated fundamental and applied aspects of the two-photon absorption process in azoaromatic compounds. Azoaromatic molecules have been studied in the last few years due to their applications in optical storage devices, light modulators and surface relief gratings, processes related to the photo-isomerization mechanism. The main focus of the results presented in this thesis was to explore the two-photon absorption process, taking advantage of the intrinsic photo-isomerization of the azo-aromatic chromophores. Our main goal was to study the advantages of utilizing intense pulses, which promote nonlinear excitation, to develop application with azo-aromatic compounds. Initially, we studied the two-photon absorption process in a new class of azo-aromatic compounds, named Salen Dyes. We investigated the influence of metal ions, presented in the Salen Dyes structure, on the two-photon absorption spectrum. Our results revealed that the metals have practically no influence in the nonlinear optical properties due to the lack of conjugation between the azo-moieties in the Salen Dyes. Through a theoretical model based on a sum-over-states calculation, we were able to determine the transition dipole moment of these molecules. Subsquently, we implememnted a technique to study the two-photon induced birefringence, resulting from the molecular re-orientation, in azo-aromatic compounds. We observed that the two-photon induced birefringence is confined to the focal volume, s demonstrated in a three dimensional optical storage experiment. Finally, we used coherent control processes to manipulate the two-photon induced birefringence in azo-compounds. It was demonstrated that it is possible to modulate the optically induced birefringence by manipulating the phase of the ultra-short pulses, via pulse shaping techniques.

Neste trabalho estudamos através de técnicas de espectroscopia de dois fótons, transições entre níveis de um defeito de configuração 4f7, transições estas proibidas via um único fóton. Analisamos o efeito do campo cristalino sob os níveis de energia do defeito. O íon estudado foi o Eu+2 com defeito nas matrizes de CaF2, KCl, KI. Desenvolvemos alguns equipamentos e instrumentos necessários para realização do experimento. Os espectros de absorção de dois fótons nas transições 4f7(8S7/2) &#8594 4f7 (8P7/2) apresentam-se como um conjunto de três e quatro linhas estreitas nas simetrias Oh e C2v respectivamente. Estes resultados estão em concordância com os cálculos de teoria de grupo. As transições 4f7(8S7/2) &#8594 4f7 (8P5/2) apresentam-se como duas linhas na simetria Oh (CaF2) em concordância com os cálculos teóricos. No caso dos cristais com simetria C2v essas transições são inexplicavelmente ausentes. / We have applied the technique of two photon absorption to study transitions between different levels of the 4f7 configuration. These transitions are forbidden for one photon. The effect of the crystal field in these electronic states is studied. The ion we have chosen is Eu+2 in ionic crystals of KCl, KI and CaF2. The experimental technique was implanted at the laboratory with several parts developed by ourselves. The two photon absorption spectra of the 4f7(8S7/2) &#8594 4f7 (8P7/2) is composed of three and four sharp lines in the Oh and C2v symmetry respectively. These results are in agreement with the group theory calculations of the problem. The transition 4f7(8S7/2) &#8594 4f7 (8P5/2) appears as two sharp lines in the Oh symmetry (CaF2) in agreement with the theory, those transitions are not present in the crystals with C2v symmetry and this result is not understood.

Neste trabalho estudamos a forma de linha na absorção de dois fotons nas transições 4f7 de defeitos cristalinos superpostas com bandas de absorção multifonons. Escrevemos o perfil de linha sob a forma de Fano. O íon em estudo é Eu++ como defeito em um cristal de CaF2. Apresentamos o desenvolvimento da instrumentação necessária para realização do experimento, e obtemos resultados de ótima qualidade. / In this work we study the absorption of two photons in the electronic transition within the 4f 7configuration wich is superposed to the vibronic structure of 4f 7 - 4f65d transition. We describe the line shape with the Fano\'s formalism. The study was carried out on Eu+2 doped CaF2. The experimental apparatus was build and the results obtained are in good agreement with the theoretical predictions.

Neste trabalho estudamos a absorção cooperativa de dois fótons em processos de colisão entre átomos frios de sódio aprisionados. Efeitos não-lineares exigem amostras de alta densidade para ser observados. Redesenhamos nosso sistema experimental para conseguir amostras de 1012 átomos/cm3. As principais alterações foram a construção de um desacelerador Zeeman em configuração spin-flip, a implementação de bombeamento diferencial entre o forno e a câmara principal, assim como redesenhar o forno. A fim de compreender e melhorar os processos de medição utilizamos a técnica de fotoionização nos estados 32P1/2 e 32P3/2. Com esses dados conseguimos calcular a seção transversal de ionização para cada um desses estados, que está de acordo com valores reportados na literatura. Estes resultados mostram que o novo desenho do sistema permite um grande ponto de partida para a medição da absorção de dois fótons. Uma tentativa de medir a absorção de dois fótons foi feita. Um pequeno aumento no número de íons produzidos por unidade de tempo foi observada em uma região deslocada para o vermelho de cerca de 4,5 GHz de onde inicialmente se esperava ocorrer a transição. Isto motiva a aprofundar o estudo da absorção de dois fótons, já que provavelmente essa medida seja um indício da ocorrência desse fenômeno. Assim, tanto a medição da seção de choque dos estados 32P1/2 e 32P3/2 e a tentativa de medir a absorção de dois fótons, fornecem uma base sólida para conhecer qual é a melhor maneira de obter resultados mais decisivos no que diz respeito à absorção cooperativa de dois fótons, e as vantagens do nosso sistema em futuros experimentos. / In this work we study the cooperative two-photon absorption in collisional processes between cold trapped sodium atoms. Nonlinear effects require high density samples to be observed. We redesign our experimental system to achieve samples up to 1012 atoms/ cm3 .The key changes were building a spin-flip Zeeman slower, implementing differential pumping between the oven and the chamber and changing the oven´s design. In order to understand and improve the measurement processes we did photoionization from the states 32P1/2 e 32P3/2. With this data we could calculate the ionization cross section for each of these states, which is in agreement with values reported in the literature. These results show that the new design of the system allows a great starting point for measuring of two-photon absorption. An attempt to measure the absorption of two-photon was made. A small increase in the number of ions produced per unit time was observed in a region shifted to the red of about 4.5 GHz from where we initially expected the transition to occur. This probably indicates two-photon absorption. Thus, both the measurement of cross section of states and the attempt to measure the absorption of two photons, provide a solid foundation for understanding what is the best way to obtain more decisive results with regard to cooperative absorption, and the advantages of performance of our system in future experiments.