Submitted by Almir Azevedo (barbio1313@gmail.com) on 2013-11-04T17:42:53Z No. of bitstreams: 1 dissertacao_mestrado_ien_2013_07.pdf: 2195595 bytes, checksum: cd3bc8ec1ed139577c939ef3ad656a75 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-11-04T17:42:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_mestrado_ien_2013_07.pdf: 2195595 bytes, checksum: cd3bc8ec1ed139577c939ef3ad656a75 (MD5) / O objetivo principal deste trabalho é simular campos eletromagnéticos utilizando o Método dos Elementos Finitos. Mesmo nos casos mais acadêmicos de simulação numérica da eletrostática e da magnetostática dificuldades aparecem quando o elemento finito nodal é utilizado. A modelagem de campos vetoriais com funções escalares, principalmente em materiais heterogêneos, podem não apresentar os melhores resultados. Com o objetivo de resolver estes problemas, dois tipos de técnicas são experimentadas: o uso de remalhagem adaptativa para elementos finitos nodais e a utilização de elemento finito de aresta que assegura a continuidade dos componentes tangenciais. Na análise numérica são abordados alguns problemas eletromagnéticos simples tais como os guias de onda imersos em materiais homogêneos e heterogêneos, materiais ferromagnéticos submetidos a uma densidade de campo magnética constante ou ainda sujeitos a uma densidade de corrente. No caso dos guias de onda, os campos são discretizados utilizando o método dos elementos finitos nodais e de arestas enquanto nos outros utiliza-se unicamente o elemento nodal. Aborda-se também a possibilidade de utilização da remalhagem adaptativa baseada em vários indicadores de erro.

Orientador : Hugo Enrique Hernandez-Figueroa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-01T04:45:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Correia_Davi_M.pdf: 370205 bytes, checksum: b9934bbd32d8ef3260efb36fea6c28da (MD5) Previous issue date: 2002 / Mestrado

Orientador : Hugo Enrique Hernandez Figueroa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-03T14:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RodriguezEsquerre_VitalyFelix_D.pdf: 4295145 bytes, checksum: a4cbd5fc7d33f29bdc5a8d1462141ccb (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Esta tese apresenta uma metodologia numérica eficiente e robusta para a análise de estruturas fotônicas tanto em coordenadas cartesianas como cilíndricas, e pressupõe estruturas com índices de refração arbitrários. Os algoritmos, baseados no método dos elementos finitos, foram desenvolvidos no domínio do tempo e da freqüência. A primeira abordagem é baseada no método de propagação de ondas (WPM: Wave Propagation Method), levando-se em conta três esquemas: banda estreita (desprezando a segunda derivada temporal), banda larga (via aproximação de Padé) e banda total (resolvendo a segunda derivada temporal); neste caso utilizaram-se as camadas perfeitamente casadas (PML, Perfectly Matched Layer), para evitar as reflexões nas fronteiras do domínio computacional. A segunda abordagem trata do cálculo das bandas proibidas e da análise modal das chamadas estruturas sobre meios denominados de cristais fotônicos, "photonic crystals". Diversos dispositivos fotônicos são analisados, redes dielétricas planares e, em fibras, guias curvos com cavidades ressonantes (no domínio do tempo) e uma análise detalhada de estruturas periódicas, incluindo-se anisotropia (no domínio da freqüência), que são de grande importância no processamento de sinais ópticos / Abstract: This thesis shows an efficient and powerful numerical metodology to analyze photonic structures in cartesian and cylindrical coordinates and they are supposed to have arbitrary refractive indexes. The algorithms, based on the finite element method, were developed in time and frequency domains. The first algorithm is based on the wave propagation method (WPM) taking into account three schemes: narrow band (the second time derivative is neglected), wide-band (through Padé approximation) and total-band (solving the second time derivative). The Perfectly Matched Layers (PML) were used to avoid undesired reflections from the computational boundaries.. The second algorithm was developed to compute the forbbiden bands and to have a modal analysis of guiding structures called photonic crystals. Several photonic devices were analyzed, slab and fiber dielectric grating, sharp bend guides with ressonant cavities (time domain) and also a detailed analysis of periodic structures, including anisotropy (frequency domain), is also done. These photonic devices are important for optical signal processing / Doutorado / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador : Hugo Enrique Hernandez Figueroa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-03T14:23:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BravoRoger_LeonardoLorenzo_D.pdf: 9758028 bytes, checksum: 8397616c7678b1b613e1954f4b68c480 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Modelos eficientes de simulação para a análise da propagação de pulsos ultracurtos, através de dispositivos de óptica integrada de geometria planar e cilíndrica, são apresentados em detalhe. Os modelos resolvem as equações de onda escalares, associadas às polarizações transversais elétrica (TE) e magnética (TM), levando em conta efeitos espaço-temporais, utilizando a técnica da variação lenta da envoltória dos respectivos campos. Esta técnica consiste em remover a onda portadora, calculando-se apenas a envoltória dos campos, garantindo assim a diminuição do esforço computacional. Todos os modelos desenvolvidos utilizam o Método de Elementos Finitos, bem como camadas absorventes do tipo perfeitamente casadas (perfectly matched layers, P ML), para simular a continuidade do domínio de discretização truncado. Os modelos aqui propostos são apresentados pela primeira vez, mostrando a grande eficiência dos mesmos em aplicações com meios lineares, com perdas, meios difrativos, dispersivos e não lineares do tipo Kerr / Abstract: Efficient finite-element formulations for the simulation of ultrashort optical pulses propagating down planar and cylindrical geometries are thoroughly presented. These numerical propagators capable to take into account spatial and temporal effects, are to the best of the author's knowledge original. They solve the scalar transverse electric (TE) and magnetic (TM) wave equations using the well known slow wave approach and incorporate perfectly matched layers (PML) at the truncated boundaries. Their effectiveness and higher performance over other similar approaches are clearly demonstrated through key simulations, which include Kerr-type of nonlinear effects, absorption (losses), diffraction, refraction, and dispersion / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Hugo Enrique Hernandez Figueroa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e da Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T04:00:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nobrega_KleberZuza_D.pdf: 2646260 bytes, checksum: 5fab9976f2d458a8b82801542734e7c5 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Neste trabalho de tese, estão aqui apresentadas algumas ferramentas de desenvolvimento para duas formulações distintas do Método dos Elementos Finitos (MEF), nodal e com elementos de aresta, que, seguidamente, são aplicadas na análise de estruturas fotônicas. Numa primeira etapa, três programas gerados em Matlab® foram produzidos com o intuito de simplificar, estimular e facilitar o aprendizado do MEF; contudo, no âmbito da pesquisa, estes também mostraram-se eficientes em contemplar a possibilidade do desenvolvimento parcial de explorar novos códigos e formulações em elementos finitos. Na seqüência, estes programas são devidamente utilizados na simulação de algumas estruturas fotônicas lineares ou não-lineares, através de códigos elaborados em Fortran. Em princípio, nestas estruturas destacam-se três pontos principais: a geração de novas condições de camadas absorventes perfeitamente casadas (Perfectly Matched Layers) para meios não-lineares; a proposta de um novo guia de onda planar utilizando cristais fotônicos, para reduzir os níveis de potência crítica no fenômeno de biestabilidade óptica; e, por último, a obtenção de uma nova fibra óptica monomodo, com cristais fotônicos, possuindo uma região de invariância bem superior àquelas comentadas na literatura / Abstract: In this thesis, it has been implemented some numerical and symbolic tools to help in the development of computer subroutines of the Finite Element Method using two distinct formulations, with nodal and edge elements, applied to analysis of photonic structures. In a first stage, three computer programs were developed using Matlab® to simplify, to stimulate and to make easy the learning of the MEF. Concerning the research aspects, such programs have been shown to be efficient in the development and exploration of new computer codes and formulations in the MEF. Following, they also have been used to simulate some linear and nonlinear photonic structures, written in Fortran. At first, three main aspects have been considered: a series of new boundary conditions (Perfectly Matched Layers) for nonlinear media; the proposal of a new planar waveguide using photonic crystals, to reduce the critical power in the bistability phenomenon; and, finally, a new topology of a monomode photonic crystal fibers having a wider range of such characteristic than the conventional ones explored in the literature / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

[pt] Neste trabalho, o efeito de um obstáculo cilíndrico do tipo poste em guias de ondas retangulares e circulares é o objeto de estudo. Considerando-se um poste metálico em um guia de ondas retangular, utiliza-se o método dos momentos e diádicas de Green como técnica de obtenção de soluções. Utilizando a mesma metodologia, estada-se um poste metálico em um guia de ondas circular. A análise de um poste dielétrico em guias de ondas retangular e circular é feita através da técnica perturbacional. / [en] In this work, the effect of a cylindrical obstacle such as a post in rectangular and circular waveguides is the subject of study. Considering a metallic post in a rectangular waveguide, the Method of Moments and the Dyadic Green s Functions are applied to obtain the solutions. The same methodology is used to study a metallic post in a circular waveguide. A perturbational analysis is carried out to study a dielectric pos in retangular and circular waveguides.

Orientador: Leonardo de Souza Mendes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-07-24T05:09:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Venturini_FredericoPina_M.pdf: 3741789 bytes, checksum: 799bd673fdd878f0b75e06381064ce35 (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: Apresentamos neste trabalho a formulação do método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) para a análise das características de propagação de estruturas dielétricas planares bidimensionais (guia slab e acoplador direcional). Uma solução direta das equações de Maxwell dependentes do tempo é procurada, substituindo-se as derivadas parciais contidas nos operadores diferenciais por diferenças finitas. Para isso é necessário realizar inicialmente a discretização espacial e temporal do problema, em células e passos discretizados de tempo, respectivamente, obtendo-se as equações de diferenças finitas que simularão a propagação da onda desejada. A formulação foi desenvolvida para análise de materiais lineares não dispersivos. É feito inicialmente um estudo teórico das características das estruturas analisadas e do método FDTD, apresentando-se em seguida os resultados obtidos nas simulações realizadas / Abstract: In this a finite-difference time-domain method formulation to the analysis of propagation characteristics in bidimensional dielectric planar structures (slab waveguide and directional coupler) is presented. A direct solution of Maxwell¿s equations is searched, replacing the partial derivative enclosed in the differential operators by finite differences. To reach this solution it is necessary to discretize space and time, in the form of space cells and time steps, respectively, to obtain the finite difference equations that will simulate the wave propagation desired. The formulation was developed to analyze linear nondispersive materials. The theoretical aspects involved in the analysis of the structures and the FDTD method are initially discussed and then the results obtained in the simulations are presented. / Mestrado / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Cláudio Kitano / Co-orientador: Luis Elvira Segura / Banca: Aparecido Augusto de Carvalho / Banca: Ricardo Toquio Higuti / Banca: Flávio Buiochi / Banca: Nicolás Leoardo Pérez Alvarez / Resumo: O estudo da interação de ondas elásticas em sólidos imersos em um fluido tem sido reconhe- cido como um meio viável para caracterização de líquidos. As ondas guiadas em estruturas tipo placa possuem a característica de serem multimodais e dispersivas. Estas características introduzem mais informação ao processo de medição, além de tornar a análise teórica e a inter- pretação física dos resultados experimentais mais envolventes. Quando a placa está em contato com o fluido, há uma forte atenuação devido às ondas de fuga e perdas viscosas no fluido. Esta característica pode ser explorada para a caracterização de líquidos, devido à alta sensibilidade associada à interação entre a onda e o fluido. Pensando nesta particularidade estudou-se o modo quase Scholte, que é um tipo de onda de interface cuja energia está confinada perto da região da superfície da placa. A análise deste modo propagante é uma alternativa atraente para se determinar a velocidade volumétrica longitudinal e a atenuação no líquido, o que proporciona valiosas informações sobre as propriedades do fluido. Neste trabalho, as ondas guiadas (mo- dos de Lamb e quase Scholte) são teoricamente descritas por um sistema de equações obtido do modelamento de uma placa sólida homogênea em contato com um fluido viscoso, o qual é descrito usando a equação de Navier-Stokes. As curvas de dispersão e atenuação das ondas de Lamb e do modo quase Scholte são obtidos numericamente como soluções das equações carac- terísticas. Experimentos foram realizados visando mensurar a velocidade de fase e a atenuação para os modos de Lamb e quase Scholte, mostrando a existência de bandas de frequências de baixa atenuação. Estas medições foram obtidas usando transdutores longitudinais de banda larga acoplados a prismas de acrílico, excitados com pulsos senoidais e posteriormente analisa- dos em tempo-frequência / Abstract: The study of the interaction of elastic waves in solids immersed in a fluid has been recognized as a suitable method for fluid characterization. Guided waves in plate-like structures, are mul- timodal and dispersive. These characteristics provides more information in the measurement process. In addition, the theoretical analysis and physical interpretation of the experimental results become more involved. When the plate is in contact with a fluid, there is strong attenu- ation due to Leaky waves and viscous losses in the fluid. This characteristic can be explored for the fluid characterization, due to the high sensitivity associated to the interaction between the wave and fluid. From this feature a study about the quasi-Scholte mode was done, which is a kind of interface wave and its wave energy in the fluid is confined in the region close to the surface of the plate. The analysis of this propagating mode is an attractive alternative to determine the bulk longitudinal velocity and attenuation in the liquid, which provide valuable information about the liquid properties. In this work, guided waves (Lamb and quasi-Scholte modes) are theoretically described by a system of equations obtained by modeling a homo- genous solid plate in contact with a viscous fluid, which is modeled using the Navier-Stokes equation. The dispersion and attenuation curves of Lamb waves and quasi Scholte mode are numerically calculated from the characteristic equations. Experimental measurements were conducted in order to obtain the phase velocity and attenuation for the Lamb waves and quasi Scholte mode showing the existence of low attenuation frequencies bands. These measurements were obtained by using longitudinal wide band transducers coupled to acrylic wedges, excited with senoidal pulses and then time-frequency analysed. In order to evaluate the potential use of this result in NDT applications ultrasonic images were also ... / Doutor

[pt] Esta tese apresenta uma análise de uma estrutura de corneta cônica corrugada com dielétrico anisotrópico, com eixo óptico na direção axial da corneta. Esta configuração de corneta pode ser conseguida utilizando-se a estrutura de uma corneta corrugada com a adição de um cone dielétrico anisotrópico uniaxial. A anisotropia pode ser conseguida artificialmente dopando-se o material dielétrico isotrópico ou utilizando-se uma técnica de perfuração na direção axial do cone. Esta técnica de perfuração é sugerida e apresentada nesta Tese. Partindo-se da geometria definida, foram desenvolvidas as expressões dos campos transversais e o equacionamento para a obtenção das curvas características da estrutura. É apresentado ainda um estudo comparativo dos campos transversais com os casos degenerados já conhecidos de guias cilíndricos, entre eles, guia cilíndrico corrugado oco, guia cilíndrico metálico com bastão dielétrico, guia cilíndrico corrugado com bastão dielétrico isotrópico. As expressões para o cálculo dos campos radiados distantes foram obtidas para o guia cilíndrico corrugado com dielétrico anisotrópico. Em adição, expressões para o cálculo dos campos radiados distantes para a corneta cilíndrica corrugada com dielétrico anisotrópico com pequenos ângulos de abertura (flare angle) utilizando-se a aproximação por capa esférica foram obtidas e apresentadas. Estas expressões foram baseadas na terceira definição de Ludwig. Foram realizadas análises para estruturas já conhecidas geradas a partir da degeneração do caso mais geral apresentado nesta tese com o objetivo de validar a teoria desenvolvida e os resultados provaram a validade do material teórico desenvolvido. Finalmente, foi desenvolvida uma análise paramétrica da estrutura apresentada com o intuito de verificar o comportamento dos campos radiados e da polarização cruzada máxima em função da anisotropia e da frequência de operação. Verificou-se que a largura de feixe de meia potência foi pouco influenciada pela anisotropia do dielétrico e apresentou comportamento esperado em função da frequencia. A variação da máxima polarização cruzada em função da frequência foi estudada. Em determinados valores de permissividade e anisotropia, para a configuração considerada, foi alcançada a condição híbrida balanceada. Nesta condição a estrutura apresentou baixos níveis de máxima polarização cruzada em uma faixa larga de frequência. Comportamento este muito superior ao da corneta corrugada, corneta metálica com dielétrico e corneta corrugada com dielétrico isotrópico. / [en] This thesis presents an analysis of a corrugated conic horn structure with anisotropic dielectric. This dielectric cone is positioned inside the horn and has an optical axis in its longitudinal direction. This horn configuration can be obtained using the structure of corrugated horn and adding an anisotropic dielectric cone. The anisotropy can artificially be obtained by doping the isotropic dielectric or using a perforation technique. This perforation technique is suggested and presented in this Thesis. Expressions for the transverse fields and the propagation constant curves were developed considering this new geometry. It is also presented a comparative study of the degenerated transversal fields with well-known structures. These structures are: hollow cylindrical guide, corrugated cylindrical guide, cylindrical metallic guide with dielectric and corrugated cylindrical guide with dielectric. The expressions to calculate the radiated far fields were obtained for the corrugated cylindrical guide with anisotropic dielectric. In addition, expressions to calculate the radiated far fields for the corrugated cylindrical horn with anisotropic dielectric were developed and presented. These expressions considered horns with small flare angle and used the spherical cap approximation theory. All expressions considered the 3th Ludwig definition for the radiated far field. Far field analyses were conducted for well-known structures. These structures were obtained by degenerating the new configuration presented in this thesis and aimed to validate the theoretical developed theory. The results proved its validity. Finally, a parametric analysis was performed. This analysis considered, for a given structure configuration, the behavior of the radiated far fields and its maximum cross polar levels as a function of the anisotropy and frequency. It was verified that the dielectric anisotropy had very little effect on the half power beam width characteristic. The maximum cross polar level as a function of the frequency was analyzed. For some specific values of permittivity and anisotropy, for the considered configuration, the balanced hybrid condition was reached. In this condition the structure presented very low cross polar values in a large frequency band. This behavior is much more superior to the corrugated horn, dielectric horn and the isotropic dielectric corrugated horn.

Nesse trabalho, propomos uma modificação da técnica de caracterização de filmes conhecida por m-line para o desenvolvimento de um refratômetro para gases e líquidos. O principio dessa técnica consiste no acoplamento de ondas evanescentes em guias de ondas planares obtidos via o fenômeno da reflexão total interna frustrada através de dispositivos acopladores. Observa-se experimentalmente, após incidir um feixe de laser contínuo na base do acoplador óptico, uma grande atenuação da radiação refletida para determinados ângulos de incidência, que é justamente a radiação acoplada nos modos permitidos pelo guia de onda. Medindo-se os valores desses ângulos e usando a teoria de acoplamento, é possível determinar as características desconhecidas do sistema. Esse sistema consiste de um acoplador óptico semicircular de alto índice de refração em cuja base foram depositados, via evaporação, um filme de dióxido de silício (SiO2) e outro de dióxido de zircônio (ZrO2). Ou seja, o sistema resume-se a dois meios finitos (filmes) prensados entre dois meios semi-infinitos (prisma e amostra). Como a espessura dos filmes e os índices de refração complexos dos filmes e do prisma são conhecidos, a única variável é o índice de refração do quarto meio, que é a amostra da qual se deseja medir o índice de refração. Estudamos a influência que cada um dos parâmetros externos exerce sobre o perfil refletido, tais como comprimento de onda e polarização da radiação incidente, espessuras e índices de refração dos filmes e o formato dos dispositivos acopladores. Descrevemos o comportamento do sistema quando o feixe incidente possui perfil gaussiano, que é perfil dos lasers usualmente usados em pesquisa. As espessuras das camadas de SiO2 e de ZrO2 foram otimizadas tendo em vista a faixa dos valores do índice de refração das amostras que se deseja medir. A otimização do sistema é obtida via teoria de guiamento de radiação em guias de ondas planares para o caso de quatro meios. Para a aquisição e tratamento dos dados desenvolvemos um programa na plataforma LabVIEW® que processa a imagem detectada por uma câmera CCD no visível, possibilitando o acompanhamento da variação do feixe refletido em função da variação do índice de refração da amostra. Assim, além de determinar ponto a ponto a variação do perfil refletido, é possível determinar a dinâmica em que esse efeito se realiza, gerando possibilidades de aplicação da técnica em áreas relacionadas à dinâmica química e bioquímica. Para confirmação da efetividade da técnica, realizamos medidas da variação do índice de refração do ar em função da umidade relativa, temperatura, pressão e para soluções de glicose. O sistema demonstrou sensitividade suficiente para acompanhar mudanças do índice de refração do ar da ordem de 10-6. / In this work, we propose a modification of the technique for characterization of films known as the m-line for the development of a refractometer for liquids and gases. The principle of this technique is coupling evanescent waves in planar waveguides obtained by the phenomenon of frustrated total internal reflection devices through devices couplers. It is experimentally observed, after focusing a continuous laser beam at the base of the coupler, a large attenuation of the reflected radiation for certain angles of incidence, which is precisely the radiation coupled in the modes allowed by the waveguide. Measuring the values of these angles and using the coupling theory, it is possible to determine the unknown characteristics of the system. This system consists of a semicircular optocoupler high refractive index which in the base was deposited, via evaporation, a film of silicon dioxide (SiO2) and a zirconium dioxide (ZrO2). In other words, the system is similar to a two finite media (films) pressed between two semi-infinite media (prism and sample). As the film thickness and complex refractive indices of the film and the prism are known, the only variable is the index of refraction of the fourth medium that is the sample from which it is aimed to measure the refractive index. We studied the influence that each of the external parameters has on the reflected profile, such as wavelength and polarization of the incident radiation, thicknesses and refractive indices of the films and the format of the devices couplers. We describe the system behavior when the incident beam has a Gaussian profile, which is usually the profile of the lasers usually used in researches. The thicknesses of the layers of SiO2 and ZrO2 were optimized in function of the range of the refractive index values of the samples to be measured. System optimization is obtained via the guiding theory of radiation in planar waveguides for the case of four mediums. For acquisition and data processing, a program were developed in LabVIEW® platform that processes the image detected by a CCD camera in visible light, allowing us to relate the variation of the reflected beam to the value of the refractive index of the sample. Thus, besides determining the variation of the profile reflected, it is possible to determine the dynamic in which this effect takes place, generating opportunities for application of the technique in areas related to the dynamic chemistry and biochemistry. To confirm the effectiveness of the technique, we performed measurements of the variation of the refractive index of air as a function of relative humidity, temperature, pressure and glucose solutions. The system shows sufficient sensitivity to follow changes in the refractive index of air in the order of 10-6.