Este trabalho apresenta a gravação e caracterização de redes de Bragg em fibras óticas (FBGs), com comprimentos de onda otimizados para a banda do visível, a partir de pulsos de laser femtossegundo em UV ajustados por um oscilador paramétrico ótico (OPO – optical parametric oscillator). Para tal propósito foi usado o método de inscrição direta sob máscara de fase, tendo como base diferentes fibras óticas previamente hidrogenadas com vista a incrementar a sua fotossensibilidade. Durante o processo de gravação dos sensores a fibra ótica, as FBGs foram monitoradas espectralmente em reflexão e posteriormente caracterizados em temperatura e deformação longitudinal, para a análise dos seus coeficientes de sensibilidades; seus principais parâmetros pós-gravação foram analisados comparativamente em relação às redes de Bragg funcionais na faixa espectral do infravermelho. / In this work, a visible wavelength fiber Bragg gratings (FBGs) were produced using ultrafast laser pulses adjusted with an OPO (optical parametric oscillator) to 248 nm UV femtosecond laser source. For that purpose it was employed the normal phase-mask method and different fibers loaded with hydrogen previously, in order to increase its photosensitivity. During de process the spectral characteristics were analyzed in terms of reflection as well as temperature and longitudinal deformations were made to analyze the post inscription main parameters of sensitivity comparing with IR spectral range produced FBGs.

Ao longo dos últimos anos, redes de Bragg em fibras ópticas (FBG, do inglês Fiber Bragg Gratings) vêm sendo frequentemente utilizadas como sensores de deformação e de temperatura. O problema da indistinguibilidade entre esses dois parâmetros físicos, presente durante medidas realizadas por esse tipo de sensor, tem sido bem resolvido com o uso de duas FBGs com comprimentos de onda distintos. Muito embora esse artifício tenha apresentado bons resultados, ele também oferece algumas desvantagens, sendo uma delas a necessidade de duas fontes de luz para diferentes comprimentos de onda. Em virtude disto, este trabalho apresenta um sistema capaz de realizar medidas de temperatura e deformação, simultaneamente, utilizando apenas uma fonte de luz. O método baseia-se na inscrição de duas redes de Bragg com comprimentos de onda próximos (no caso, 810 e 860 nm) na mesma posição da fibra óptica. Apesar de a separação entre os comprimentos de onda das FBGs ser aparentemente pequena (cerca de 50 nm), o sistema respondeu precisamente a variações de deformação e temperatura. Dessa forma, a utilização de apenas uma fonte de luz no sistema é corretamente justificada, uma vez que, com essa alteração, o custo do sistema é substancialmente reduzido. Ademais, o uso de comprimentos de onda em torno de 800 nm também barateia o sistema, pois os CCDs usados neste intervalo espectral são menos onerosos do que aqueles tradicionalmente usados em comprimentos de onda de comunicações ópticas (1,55 μm). / In recent years, fiber Bragg gratings (FBGs) have been frequently used as strain and temperature sensors. Several studies have tackled the problem of distinguishing between these two physical parameters using a dual-wavelength sensor. Although these sensors have shown good results, they have a few drawbacks, one of them being the need for two light sources with different wavelengths. We present an approach for simultaneous strain and temperature sensing which uses only one light source. The method relies on writing FBGs with nearby wavelengths (for instance, at 810 and 860 nm) at the same section of the fiber. Even though the Bragg wavelengths are separated by just a few nanometers (about 50 nm), it is possible to accurately measure variations in strain and temperature. One of the major advantages of this approach is the use of a unique light source, what reduces substantially the system cost. Another advantage is the lower cost of array detectors at 800 nm when compared to those of telecom wavelengths (1,55 μm).

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2017-05-04T18:54:25Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rafael Marques Paes Teixeira - 2017.pdf: 12639296 bytes, checksum: a0fc40914d28a4f117459a9314e27b7a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-05-05T12:55:45Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rafael Marques Paes Teixeira - 2017.pdf: 12639296 bytes, checksum: a0fc40914d28a4f117459a9314e27b7a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-05T12:55:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rafael Marques Paes Teixeira - 2017.pdf: 12639296 bytes, checksum: a0fc40914d28a4f117459a9314e27b7a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-04-10 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / This dissertation presents the research that was focused on the study of solitons in nonintegrable systems governed by effective models of partial differential equations (PDEs) of (1+1) dimensions, that is, one spatial and one time dimension. In the main research line, we considered a model of two fields given by nonlinear Schrödinger equations with logarithmic nonlinearity and linear coupling, the main aspects of the collision dynamics of two Gaussian solitons (gaussons) were investigated, addressing the stability of the solutions, the interaction mechanisms, and the regularity of the scattering. The study of gaussons collisions in this model was performed via two approaches: semianalytic (variational/reduced model) and direct numerical simulation. For the system considered in this work, both approaches provided similar results which revealed the existence of a chaotic and fractal dynamics involving the initial conditions and the post-collisional properties of the solitons, which were verified by the analysis of the correlations between the input and output parameters. The fractal patterns are constituted by regularity windows that are positioned accordingly to a well defined rule, which was obtained via a linearization model that was found to be very similar in both approaches (i.e., the windows arrangement was well described by the variational model). In such windows the solitons collision dynamic turns out to be not chaotic (regular collision), it becomes predictable and very well defined, hence the width of these windows provides the conditions in which the control of the interaction is possible. Besides, by analyzing the dynamics of the variational parameters of the reduced model and also the dynamics of the most relevant physical quantities in the exact approach via PDEs (namely the total kinetic and potential energies), we attested that these windows arise due to a resonant mechanism of energy exchange between translational and vibrational soliton modes. By studying the linear stability of the solitary waves, we proved that the vibrational modes originate from shape oscillations induced by internal modes and also, possibly, by instability modes excited during the collisions. We verified that these oscillations are well defined in all regular collisions. The viability of the variational method in the system studied is due to the suitable description of the vibrational modes by the reduced model, and also the low influence of the emitted nonlinear radiation in the regular collision processes found in the direct simulations. / Essa dissertação apresenta o trabalho de pesquisa que teve como foco o estudo de sólitons em sistemas não-integráveis governados por modelos efetivos de equações diferenciais parciais (EDPs) de dimensão (1+1), isto é, uma dimensão espacial e uma temporal. Na linha de pesquisa principal, foi considerado um modelo de dois campos dado por equações de Schrödinger com não-linearidade logarítmica e acoplamento linear, em que foram investigados os principais aspectos da colisão de dois sólitons gaussianos (gaussons), considerando a estabilidade das soluções, seus mecanismos de interação e a regularidade do espalhamento. O estudo de colisões de gaussons nesse modelo foi realizado a partir de duas abordagens: semianalítica (modelo variacional/reduzido) e simulação numérica direta. Para o sistema considerado nesse trabalho, as duas abordagens renderam resultados semelhantes que revelam a existência de uma dinâmica caótica e fractal envolvendo as condições iniciais e as propriedades pós-colisionais dos sólitons, que foi constatada pela análise das correlações entre os parâmetros de entrada e saída. Os padrões fractais são constituídos por janelas de regularidade, cujo posicionamento segue uma regra bem definida que foi obtida via um modelo de linearização que se mostrou muito semelhante nas duas abordagens (i.e., a distribuição de janelas foi bem descrita variacionalmente). Em tais janelas a dinâmica de colisão dos sólitons deixa de ser caótica (colisão regular), tornando-se previsível e bem definida, por isso a largura dessas janelas fornece as condições em que o controle da interação é possível. Além disso, pela análise da dinâmica dos parâmetros variacionais do modelo reduzido e das quantidades físicas mais relevantes na abordagem exata via EDPs (energia total cinética e potencial), verificou-se que essas janelas surgem devido a um mecanismo ressonante de troca de energia entre os modos translacionais e vibracionais dos sólitons. Pelo estudo da estabilidade linear das ondas solitárias, verificou-se que os modos vibracionais decorrem de oscilações de forma induzidas por modos internos e também, possivelmente, por modos de instabilidade excitados durante as colisões. Constatou-se que essas oscilações são bem definidas em todas as colisões regulares. A viabilidade do método variacional no sistema estudado se deve à adequada descrição dos modos vibracionais pelo modelo reduzido e à baixa influência da radiação não-linear emitida sobre os processos de colisão regulares encontrados via simulações diretas.

Geração de luz supercontínua é um efeito caracterizado por um forte alargamento espectral induzido por efeitos não-lineares no meio óptico, e que encontra uma vasta gama de aplicações, como tomografia por coerência óptica, espectroscopia e metrologia de freqüência. No presente trabalho, os fenômenos físicos responsáveis pela geração de luz supercontínua são estudados teoricamente, utilizando a ferramenta numérica desenvolvida para dar suporte à teoria. Os efeitos de polarização relacionados à geração de luz supercontínua também são analisados e, neste contexto, a utilização de uma fibra de cristal fotônico com formato tipo-D e alta birrefringência é proposta para servir como meio óptico. As características do supercontínuo gerado nesta fibra são analisadas teoricamente, novamente com o apoio da ferramenta numérica. A análise conclui que a fibra proposta apresenta consideráveis vantagens em relação às fibras convencionais, principalmente por ser capaz de manter o estado de polarização da luz supercontínua estável. / Supercontinuum generation is an effect characterized by a strong spectral broadening induced by nonlinear effects in the optical medium. There is a wide range of applications for this effect, such as optical coherence tomography, spectroscopy and frequency metrology. In this work, the physical phenomena responsible for supercontinuum generation are theoretically studied relying on the developed numerical tool to support the theory. The polarization effects related to supercontinuum generation are also assessed and, in this context, a highly birefringent D-shaped photonic crystal fiber is proposed as a medium for supercontinuum generation. The characteristics of supercontinuum generation in the proposed fiber are theoretically analyzed. The analysis concludes that the proposed fiber shows considerable advantages over conventional fibers, mainly due to the capability to keep the state of polarization of the supercontinuum stable.

O principal objetivo deste trabalho é a avaliação das limitações de desempenho de multiplexadores \"add/drop\", a serem empregados em sistemas de comunicações ópticas multiplexados em comprimentos de onda (Wavelength Division Multiplexing -WDM) de alta velocidade, que operam em torno de 1.55 &#956m. Com a introdução da transmissão de dados utilizando-se a técnica WDM há a necessidade do desenvolvimento de novos componentes ópticos, como multiplexadores e demultiplexadores \"add/drop\" e \"cross-connects\" ópticos. O desenvolvimento destes componentes possibilitará a evolução dos simples enlaces WDM ponto a ponto para a rede totalmente óptica. Neste cenário os multiplexadores ópticos add/drop (Optical Add/Drop Multiplexer - OADM) desempenharão um papel chave, permitindo maior conectividade e flexibilidade nas redes WDM. Neste trabalho é especificamente analisado o OADM mencionado acima. É realizado o estuido individual dos componentes que constituem uma configuração genérica deste dispositivo. São analisados a chave óptica e o divisor/combinador de potência, sendo discutido o procedimento de projeto para a otimização do seu desempenho. / The main goal of this work is the evaluation of the limitations regarding the performance in add/drop multiplexers, which will be used in optical systems employing wavelength division multiplexing (WDM), working in high speed and operating around 1.55 &#956m. With the introduction of WDM technique in order to transmit optical signals, there is a need to develop new optical devices, such as optical add/drop multiplexers (OADM) and demultiplexers. The development of these devices will allow the evolution of lightwave systems from single-wavelength point-to-point links to the wavelength division multiplexed optical networks. In this context, optical add/drop multiplexers will play a main role, making possible the connectivity and flexibility increase of WDM networks. In this work the OADM cited above is specifically studied. An individual study of the devices that constitute a generic configuration of the OADM is carried out. The optical switch and the power divider/combiner are analyzed, as well as the design techniques to improve their performances.

El presente estudio trata sobre la interpretación y análisis de la Reflectometría Óptica Brillouin de Dominio Temporal (BOTDR) en su aplicación a pernos de anclaje en túneles. Su motivación surge de la búsqueda de perfeccionamiento o mayor eficacia en el monitoreo de sistemas de soporte en túneles, respecto a los métodos existentes en la actualidad. La tecnología BOTDR emplea fibra óptica para monitorear deformaciones con ventajas sobre métodos tradicionales, al permitir incluir extensos tramos con inmunidad a influencias electromagnéticas. La teoría establece que existen cambios en la frecuencia de la luz que pasa a través de la fibra óptica cuando ella se deforma, y que tales cambios están directamente relacionados con las deformaciones axiales que determina automáticamente el sistema analizador BOTDR. Éste sistema permite obtener las curvas de espectro de frecuencia, de donde se deduce la frecuencia característica asociada al máximo nivel de potencia. Para la aplicación en pernos de anclaje, ha sido necesario observar el procedimiento que usa el sistema deteniéndose en la curvas de espectro, y utilizar varias alternativas para la obtención de parámetros correlacionándolos con las mediciones de deformaciones unitarias a través de strain gages. Existe una importante restricción en la resolución espacial, ya que el sistema BOTDR sólo permite obtener las deformaciones unitarias axiales promedio en la fibra óptica en tramos de un metro de longitud. Su aplicación directa en pernos de anclaje es por tanto cuestionada, en particular debido a la gran variación de la deformación tanto en el tiempo, como en la posición a lo largo del perno. La alternativa que este estudio recomienda utilizar, consiste en modificar la curva del espectro de frecuencias aplicando una determinada función potencia, calcular luego su frecuencia promedio obtenida como centro de gravedad del área de esta curva y asociar esta frecuencia promedio con la deformación de la fibra. Las confirmaciones experimentales permiten trabajar con tramos de hasta aproximadamente 50 cm de longitud. Se entregan recomendaciones para la aplicación práctica de la fibra óptica en pernos de anclaje y su instrumentación en túneles utilizando un monitoreo central a través de una misma fibra óptica que permita obtener las deformaciones en un conjunto de pernos. Asimismo, se entregan recomendaciones para la continuidad de esta investigación.

Submitted by Fernanda Rodrigues de Lima (fernanda.rlima@ufpe.br) on 2018-10-01T19:32:13Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Mozart José Correia Filho.pdf: 11265093 bytes, checksum: b6153273038f21b118c05aff4249a3d8 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-11-22T21:38:45Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Mozart José Correia Filho.pdf: 11265093 bytes, checksum: b6153273038f21b118c05aff4249a3d8 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-22T21:38:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Mozart José Correia Filho.pdf: 11265093 bytes, checksum: b6153273038f21b118c05aff4249a3d8 (MD5) Previous issue date: 2017-08-11 / A crescente demanda por capacidade em sistemas de comunicação por fibra óptica tem conduzindo a pesquisa no sentido de desenvolver produtos cada vez mais robustos e confiáveis. Várias soluções para estimar o desempenho desses sistemas têm sido propostas. As redes ópticas viabilizam a propagação da luz em basicamente dois tipos de ambientes: homogêneos, que baseiam-se sempre no mesmo tipo de fibra; heterogêneos, que são formados por diferentes tipos de fibras. Nesse trabalho, é estudado o desempenho de sistemas de comunicação óptica com diferentes tipos de fibra e sem compensação da dispersão por meio de simulações numéricas e modelos de ruído Gaussianos. É demonstrado que modelos de ruídos Gaussianos com baixa complexidade, tipicamente empregados em redes dinamicamente reconfiguráveis, não são adequados para modelar a propagação não-linear em enlaces com tipos de fibras diferentes. Com a utilização de modelos de ruído de interferência não-linear (NLIN - Nonlinear Interference Noise), é demonstrado que o desempenho de enlaces bidirecionais, sem compensação da dispersão, varia significativamente dependendo da direção do sinal propagado e da ordem das fibras no caminho óptico de transmissão. Isso permite que, em um sistema de transmissão óptica preexistente ou em um novo projeto de um sistema óptico interagindo com um sistema preexistente, o setor de engenharia responsável pela transmissão óptica escolha qual o melhor caminho que o sinal óptico deve percorrer para se obter o melhor desempenho, dependendo dos tipos de fibras instalados e do sentido de propagação do sinal na rede preexistente. Além disso, são apresentadas mudanças necessárias no modelo de ruído de interferência não-linear para cobrir cenários com diferentes tipos de fibras de modo que o desempenho seja otimizado e similar para ambas as direções. / The growing demand for capacity in fiber optic communication systems is driving research to develop increasingly robust and reliable products. Several solutions to estimate the performance of these systems have been proposed. Optical networks enable the propagation of light in basically two types of environments: homogeneous, which are always based on the same type of fiber; heterogeneous, which are formed by different types of fibers. In this work, the performance of optical communication systems with different fiber types and without compensation of the dispersion through numerical simulations and Gaussian noise models is studied. It is demonstrated that low complexity Gaussian noise models, typically employed in dynamically reconfigurable networks, are not suitable for modeling nonlinear propagation in links with different fiber types. With the use of nonlinear interference (NLIN) models, it is demonstrated that the performance of bidirectional links, without dispersion compensation, varies significantly depending on the direction of the propagated signal and the order of the fibers in the optical path of transmission. This allows, in a preexisting optical transmission system or in a new design of an optical system interacting with a preexisting system, the engineering sector responsible for the optical transmission to choose the best path that the optical signal must travel to obtain the best result depending on the types of fibers installed and the direction of propagation of the signal in the pre-existing network. In addition, necessary changes are presented in the nonlinear interference noise model to cover scenarios with different fiber types so that performance is optimized and similar for both directions.

Tesis por compendio / [ES] La necesidad de confinar y manipular micro-objetos tiene aplicaciones en múltiples áreas de la ciencia y tecnología. Actualmente, existen diversas técnicas para lograr este objetivo, y una de las más destacadas es el uso de las llamadas pinzas ópticas, que se han convertido en una herramienta ampliamente utilizada en laboratorios de todo el mundo. Este trabajo de investigación se centra en el fascinante campo del atrapamiento y manipulación de micro-objetos, con un enfoque destacado en la combinación de elementos ópticos difractivos y la técnica de pinzas ópticas. Esta combinación permite un aumento de la versatilidad de los sistemas experimentales de pinzas ópticas. Los avances presentados en esta tesis tienen aplicaciones en una amplia gama de campos, desde la nanotecnología hasta la biología celular. Como lentes difractivas implementadas en los sistemas de pinzas ópticas, se introducen las lentes difractivas Kinoform basadas en la secuencia aperiódica m-Bonacci. Estas lentes permiten atrapar múltiples partículas simultáneamente y manipularlas tridimensionalmente en dos planos focales diferentes, lo que amplía significativamente las posibilidades de investigación y desarrollo en diversas disciplinas. Además, se aborda la generación de múltiples trampas ópticas mediante lentes Kinoform cuadrifocales basadas en otra secuencia aperiódica conocida como Silver Mean, permitiendo atrapar partículas en cuatro planos focales de manera simultánea. Este avance mejora significativamente la versatilidad de los sistemas de pinzas ópticas. Adicionalmente el uso de vórtices multiplexados en un sistema de pinzas ópticas, permite atrapar de manera independiente múltiples partículas y transferir momento angular. Estos avances abren nuevas posibilidades en la construcción de micromotores y aplicaciones de micro-ensamblaje. Un efecto asociado a las trampas ópticas es la generación de microburbujas, en la actualidad estas se han convertido en objeto de estudio debido a la facilidad de generación y a sus posibles aplicaciones como agentes de transporte de partículas o micro-objetos. Aprovechando este efecto en esta tesis se implementa una técnica de atrapamiento que emplea fuerzas termoforéticas en la captura y manipulación de microburbujas en líquidos. Esto constituye otro avance importante en el campo del atrapamiento tridimensional. Por último, se desarrolla un laboratorio virtual utilizando COMSOL Multiphysics para simular el atrapamiento acústico, lo que permite a los estudiantes interactuar con el sistema y comprender mejor este fenómeno. Este enfoque educativo proporciona herramientas valiosas para la comprensión y análisis de la manipulación de partículas, lo que beneficia a los estudiantes de pre-grado y grado interesados en este campo. En conjunto, todos estos avances representan contribuciones significativas en el campo del atrapamiento y manipulación de partículas, en particular a través de las pinzas ópticas, promoviendo el progreso tecnológico y científico en diversas disciplinas y brindando oportunidades educativas para futuras generaciones de investigadores y científicos. A lo largo del desarrollo de esta tesis, se han creado nuevos elementos difractivos que superan ciertas limitaciones y aumentan las capacidades de las pinzas ópticas, abriendo nuevas perspectivas de aplicación para tecnologías preexistentes. / [CA] La necessitat de confinar i manipular microobjectes té aplicacions a múltiples àrees de la ciència i la tecnologia. En l'actualitat, hi ha diverses tècniques per assolir aquest objectiu, i una de les més destacades és l'ús de les anomenades pinces òptiques, que han esdevingut una eina molt utilitzada en laboratoris de tot el món. Aquest treball de recerca se centra en el fascinant camp de la captura i la manipulació de microobjectes, destacant la combinació d'elements òptics difractius i la tècnica de les pinces òptiques. Aquesta combinació permet augmentar la versatilitat dels sistemes experimentals de pinces òptiques. Els avenços presentats en aquesta Tesi tenen aplicacions en una àmplia gamma de camps, des de la nanotecnologia a la biologia cel·lular. Com a lents difractives implementades en sistemes de pinces òptiques, es presenten les lents difractives Kinoform basades en la seqüència aperiòdica m-Bonacci. Aquestes lents permeten atrapar simultàniament múltiples partícules i manipular-les tridimensionalment en dos plans focals diferents, fet que amplia significativament les possibilitats de recerca i desenvolupament en diverses disciplines. A més, s'aborda la generació de múltiples trampes òptiques utilitzant lents Kinoform quadrifocals basades en una altra seqüència aperiòdica coneguda com a Silver Mean, que permet atrapar partícules en quatre plans focals simultàniament. Aquest avenç millora significativament la versatilitat dels sistemes de pinces òptiques. A més, l'ús de vòrtexs multiplexats en un sistema de pinces òptiques permet atrapar múltiples partícules de manera independent i transferir el moment angular. Aquests avenços obren noves possibilitats en la construcció de micromotors i aplicacions de microassemblatge. Un efecte associat a les trampes òptiques és la generació de microbombolles, actualment aquestes s'han convertit en objecte d'estudi a causa de la facilitat de generació i de les seves potencials aplicacions com a agents de transport de partícules o microobjectes. Aprofitant aquest efecte, aquesta Tesi implementa una tècnica d'atrapament que utilitza forces termoforètiques en la captura i manipulació de microbombolles en líquids. Això constitueix un altre avenç important en el camp de l'atrapament tridimensional. Finalment, es desenvolupa un laboratori virtual utilitzant COMSOL Multiphysics per simular l'atrapament acústic, cosa que permet als estudiants interactuar amb el sistema i comprendre millor aquest fenomen. Aquest enfocament educatiu proporciona eines valuoses per a la comprensió i l'anàlisi de la manipulació de partícules, cosa que beneficia els estudiants de grau i postgrau interessats en aquest camp. En conjunt, tots aquests avenços representen contribucions significatives al camp de l'atrapament i la manipulació de partícules, particularment a través de pinces òptiques, promovent el progrés tecnològic i científic en diverses disciplines i proporcionant oportunitats educatives per a futures generacions d'investigadors i científics. Al llarg del desenvolupament d'aquesta Tesi, s'han creat elements difractius nous que superen certes limitacions i augmenten les capacitats de les pinces òptiques, obrint noves perspectives d'aplicació per a tecnologies preexistents. / [EN] The need to confine and manipulate micro-objects has applications in multiple areas of science and technology. Currently, there are several techniques to achieve this goal, and one of the most prominent is the use of the so-called optical tweezers, which have become a widely used tool in laboratories around the world. This research work focuses on the fascinating field of micro-object capture and manipulation, highlighting the combination of diffractive optical elements and the optical tweezers technique. This combination allows to increase the versatility of the experimental optical tweezers systems. The advances presented in this thesis have applications in a wide range of fields, from nanotechnology to cell biology. As diffractive lenses implemented in optical tweezers systems, Kinoform diffractive lenses based on the aperiodic m-Bonacci sequence are presented. These lenses allow multiple particles to be trapped simultaneously and manipulated three-dimensionally in two different focal planes, which significantly expands the possibilities for research and development in various disciplines. In addition, the generation of multiple optical traps is addressed using quadrifocal Kinoform lenses based on another aperiodic sequence known as Silver Mean, which allows particles to be trapped in four focal planes simultaneously. This advance significantly improves the versatility of optical tweezer systems. In addition, the use of multiplexed vortices in an optical tweezer system allows multiple particles to be trapped independently and angular momentum to be transferred. These advances open up new possibilities in micromotor construction and microassembly applications. One effect associated with optical traps is the generation of microbubbles, currently these have become an object of study due to the ease of generation and their potential applications as transport agents for particles or micro-objects. Taking advantage of this effect, this thesis implements an trapping technique that employs thermophoretic forces in the capture and manipulation of microbubbles in liquids. This constitutes another important advance in the field of three-dimensional trapping. Finally, a virtual laboratory is developed using COMSOL Multiphysics to simulate acoustic trapping, allowing students to interact with the system and better understand this phenomenon. This educational approach provides valuable tools for the understanding and analysis of particle manipulation, benefiting undergraduate and graduate students interested in this field. Taken together, all of these advances represent significant contributions to the field of particle trapping and manipulation, particularly through optical tweezers, promoting technological and scientific progress in various disciplines and providing educational opportunities for future generations of researchers and scientists. Throughout the development of this thesis, new diffractive elements have been created that overcome certain limitations and increase the capabilities of optical tweezers, opening new application perspectives for pre-existing technologies. / We acknowledge the financial support from Ministerio de Ciencia e Innovación (grants PID2019-107391RB-I00 and PID2022-1142407NB-I00), Generalitat Valenciana (grant PROMETEO/2019/048 and CI-PROM/2022/30), and Universitat Politècnica de València (PAID-01-20-25), Spain. We acknowledge the financial support from CONACyT (grant A1-S-28440). / Muñoz Pérez, FM. (2024). Diseño y caracterización experimental de sistemas de atrapamiento y manipulación de micro-objetos mediante técnicas ópticas, térmicas y acústicas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203436 / Compendio

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:36:41Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo9409_1.pdf: 2593707 bytes, checksum: c82123beb5138e539b7e5a7a30279094 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2012 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta Tese são propostas diversas estratégias para projetar redes ópticas WDM de forma otimizada. As redes são consideradas com tráfego dinâmico e penalizadas pelas penalidades da camada física. As estratégias propostas lidam com os principais elementos que afetam a relação custo desempenho em uma rede óptica: o algoritmo de roteamento e atribuição de comprimentos de onda (RWA), a colocação de regeneradores (RP), a atribuição de regeneradores (RA), o projeto da topologia física da rede (PTD) e o dimensionamento dos dispositivos ópticos (DDO) que serão instalados na rede. Esses problemas são tratados tanto de forma separada quanto de forma integrada na Tese. Para o RWA, é proposta uma metodologia para se projetar algoritmos heurísticos de roteamento que têm como objetivo o aumento no desempenho da rede e que levam em conta as penalidades da camada física. Para a solução do RP são propostos algoritmos heurísticos e metaheurísticos para o projeto de redes ópticas translúcidas, considerando simultaneamente a otimização dos custos de capital (CapEx) e operacional (OpEx) e do desempenho da rede. O problema de PTD é tratado em conjunto com o DDO também de forma mutiobjetiva, considerando a otimização simultânea do CapEx e do desempenho (probabilidade de bloqueio). Um algoritmo multiobjetivo para realização da expansão de topologia (i.e. adição de novos enlaces a uma rede já existente) também é proposto. Além disso, são resolvidos conjuntamente os problemas de PTD, RP e RWA de forma mutiobjetiva considerando a otimização simultânea de CapEx e desempenho da rede. As otimizações das soluções são feitas utilizando as seguintes estratégias metaheuristicas propostas na área de inteligência computacional: Particle Swarm Optimization (PSO) e Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II)

Submitted by Eduarda Figueiredo (eduarda.ffigueiredo@ufpe.br) on 2015-03-06T13:44:05Z No. of bitstreams: 2 chaves.pdf: 2856967 bytes, checksum: 08cd733e8cb84a531adc13230e5edaaf (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-06T13:44:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 chaves.pdf: 2856967 bytes, checksum: 08cd733e8cb84a531adc13230e5edaaf (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2012-02-24 / CNPq e CAPES / Nesta Tese são propostas diversas estratégias para projetar redes ópticas WDM de forma otimizada. As redes são consideradas com tráfego dinâmico e penalizadas pelas penalidades da camada física. As estratégias propostas lidam com os principais elementos que afetam a relação custo desempenho em uma rede óptica: o algoritmo de roteamento e atribuição de comprimentos de onda (RWA), a colocação de regeneradores (RP), a atribuição de regeneradores (RA), o projeto da topologia física da rede (PTD) e o dimensionamento dos dispositivos ópticos (DDO) que serão instalados na rede. Esses problemas são tratados tanto de forma separada quanto de forma integrada na Tese. Para o RWA, é proposta uma metodologia para se projetar algoritmos heurísticos de roteamento que têm como objetivo o aumento no desempenho da rede e que levam em conta as penalidades da camada física. Para a solução do RP são propostos algoritmos heurísticos e metaheurísticos para o projeto de redes ópticas translúcidas, considerando simultaneamente a otimização dos custos de capital (CapEx) e operacional (OpEx) e do desempenho da rede. O problema de PTD é tratado em conjunto com o DDO também de forma mutiobjetiva, considerando a otimização simultânea do CapEx e do desempenho (probabilidade de bloqueio). Um algoritmo multiobjetivo para realização da expansão de topologia (i.e. adição de novos enlaces a uma rede já existente) também é proposto. Além disso, são resolvidos conjuntamente os problemas de PTD, RP e RWA de forma mutiobjetiva considerando a otimização simultânea de CapEx e desempenho da rede. As otimizações das soluções são feitas utilizando as seguintes estratégias metaheuristicas propostas na área de inteligência computacional: Particle Swarm Optimization (PSO) e Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II).