Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). Os VOC\'s foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade. / The aim of this work is the development of optical chemical sensors based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) for chemical and environmental analysis applications. Such devices were implemented with waveguides fabricated on a silicon substrate. The waveguides were obtained using silicon nitride (Si3N4) and silicon oxide (SiO2) films obtained by CVD (Chemical Vapor Deposition) and thermal oxidation of the silicon substrate. The waveguides and the optical sensors were fabricated using conventional lithograph and etching processes. The developed chemical sensors are based on the evanescent field interaction in a waveguide exposed to a liquid or gaseous phase of a chemical compound. Such optical sensor were designed, simulated and implemented for the following applications: Glucose concentration; Humidity measurement by scattering effect; Volatile organic compounds (VOC\'s) vapors detection. The process steps for the optical chemical sensor fabrication were defined during the integrated optical simulations and the films were characterized after the fabrication process steps. The Si3N4 and SiO2 films used in the optical sensor fabrication are uniform and homogenous (thickness and refractive index), with low surface roughness and low levels of water incorporation and OH bonds. However, the roughness values increased significantly after the etching process for the optical sensor structures definition. The implemented waveguides were singlemoded (TE0), with experimental attenuation values between 2 and 20 dB/cm, depending on the surface and sidewall roughness of the waveguide and of the films uniformity. The operation principle and the sensitivity of the optical chemical sensor were verified by glucose concentration measurements, by measuring the MZI output variation intensity as a function of the refractive index of the glucose standard solutions (dn/dc). As the light scattering depends of the roughness and the of refractive index difference between the exposed interface and the atmosphere, it\'s possible to measure the humidity or the amount of water in the interaction window. Afterwards, the detection of volatile organic compounds (VOC\'s) was done using a HMDS (Hexamethyldissilazane) layer to adsorb the VOC\'s. The VOC\'s vapor was applied on the optical chemical sensors and the results obtained for n-Hexane and 2-Propanol showed a good reproducibility and high sensitivity.

Neste trabalho foram produzidos Interferômetros Mach-Zehnder (IMZ) a partir de guias de onda do tipo pedestal com filmes finos de Bi₂O₃-WO₃-TeO₂ (BWT) como camada de núcleo para aplicações em sensores ópticos integrados. A influência dos parâmetros e dos materiais utilizados nas etapas de processo foi verificada. Os valores de índice de refração efetivo e coeficiente de absorção em função do comprimento de onda foram obtidos para os filmes finos BWT. Os guias de onda pedestais foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura, medidas de perda por propagação e perfis de campo próximo em 633 nm e 1050 nm. Os valores mínimos obtidos nas perdas por propagação foram de ~1,5 dB/cm em 633 nm e 3,0 dB/cm em 1050 nm. As medidas de perfis de campo próximo mostraram que guias de onda com larguras superiores a 7 m apresentaram comportamento multimodo. Foram obtidos IMZs que apresentaram guiamento de luz por toda a estrutura, com comportamento multimodo. Sensores ópticos de pressão e temperatura foram produzidos. A fabricação de diafragmas através do processo de corrosão úmida do silício é apresentada no sensor de pressão. Sensores ópticos de temperatura foram produzidos com filamentos metálicos. As cavidades ópticas não foram obtidas nesse sensor. A potência de luz na saída dos sensores de temperatura foi medida em função da diferença de potencial aplicada no filamento metálico. Os resultados apresentados mostram que guias de onda do tipo pedestal produzidos com núcleo de BWT são promissores para aplicações em sensores ópticos integrados. / In this work Mach-Zehnder Interferometers (MZI) were produced from the pedestal-type waveguides with Bi₂O₃-WO₃-TeO₂ (BWT) thin films as the core layer for applications in integrated optical sensors. The influence of the parameters and materials used in the process steps was verified. The values of the effective refractive index and absorption coefficient as a function of wavelength were obtained for the BWT thin films. The pedestal waveguides were characterized by Scanning Electron Microscopy, by propagation loss measurements and near-field profiles at 633 nm and 1050 nm. The minimum values obtained by propagation losses were ~ 1.5 dB/cm at 633 nm and 3.0 dB/cm at 1050 nm. The measures of near-field profiles showed that waveguides with widths larger than 7 m presented multimode behavior. The MZIs obtained presented guiding light through the structure, with multimode behavior. Optical pressure sensors and temperature sensors were produced. The production of diaphragms using the wet etching process of silicon is presented on the pressure sensor. Optical temperature sensors were made with metallic filaments. Optical cavities were not obtained in this sensor. The light power in the output of the temperature sensors was measured as the voltage applied to the metal filament. The results show that the waveguides produced with pedestal-type and BWT thin films as core layer are promising for applications in integrated optical sensors.

Este trabalho abordará uma breve descrição de fenômenos óticos não lineares, apresentando resultados de caracterização ótica não linear para diferentes materiais, assim como resultados para uma nova técnica de caracterização. Serão apresentados aspectos básicos de determinação do índice de refração não linear através da técnica de varredura Z que é um método bem estabelecido e amplamente difundido. Esta técnica porém não é eficiente para filmes finos e amostras com baixa não linearidade. Com a utilização de uma montagem interferométrica é possível gerar um crescimento na sensibilidade da técnica, atenuando o oscilador local sem nenhuma perda no sinal não linear gerado, acarretando em uma melhoria da relação sinal-ruído. / An introduction to nonlinear optics will be addressed in this work, presenting results of optical characterization to many different materials as well as results from a new characterization technique. Basic aspects to nonlinear index refraction measurement will be presented through Z-scan, which is a well-established method. This technique is not efficient for thin films or samples presenting low nonlinearity. Using a interferometric setup is possible to produce an increase in sensibility, attenuanting local oscillator without degrading the generated nonlinear signal, what establishes a better signal-noise relation.

Neste trabalho apresentamos uma investigação sobre o ensino de física quântica na formação inicial de professores. Essa pesquisa foi desenvolvida junto a uma disciplina da sétima etapa do curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, durante o segundo semestre de 2007, através de uma atividade de ensino centrada na exploração de um software que simula o interferômetro de Mach-Zehnder. Inspirados nos trabalhos de Müller e Wiesner (2002) e Pessoa Jr. (2005), utilizamos o conceito de dualidade onda-partícula como o eixo central das discussões em sala de aula. O objetivo desse estudo consiste em analisar as tensões nos enunciados de estudantes, à luz do referencial sociocultural, e avaliar em que medida os enunciados dos estudantes se articulam à internalização de conceitos de física quântica no uso de instrumentos semióticos. Os resultados mostraram que as ações mediadas pelo uso do interferômetro virtual de Mach-Zehnder, como ferramenta cultural, auxiliaram os processos de compreensão, por parte dos alunos, viabilizando a negociação de significados em sala de aula que são aceitos e compartilhados pela comunidade científica. / In this paper, we present a research of quantum physics teaching in the context of a teachers preparation course. This investigation has been developed in a seventh level discipline of a Bachelor Degree Course in Physics Education, in the Federal University of Rio Grande do Sul, during the second semester of 2006, through a didatical activity based on the use of a computer program that simulate the Mach-Zehnder interferometer. Ispired by Müller and Wiesner (2002) and Pessoa Jr. (2005), we used the concept of wave-particle duality as the central espect of discussions in the classroom. The aim of the present study was to analyze the student’s utterences, in the light of sociocultural theories, and to investigate how the speech of the studants articulates it self to the internalization of quantum physics concepts, in the use of semiotics instruments. The results showed that the actions mediated by the use of virtual Mach-Zehnder interferometer, as a cultural tool, supported the comprehendig process in studants, feasing the negotiation of meanings that are accepted and shared in scientific community.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-02-15T13:05:07Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Compressão de Ruído Quantico em um Interferometro Sagnac em Fibra com um Laser Pulsado em 1,55 Microns - Dissertação de Mestrado em Física - Lucero Plazas Ortega.pdf: 7191693 bytes, checksum: 4eba611a9cee045f7f06747bb63a80cb (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-15T13:05:07Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Compressão de Ruído Quantico em um Interferometro Sagnac em Fibra com um Laser Pulsado em 1,55 Microns - Dissertação de Mestrado em Física - Lucero Plazas Ortega.pdf: 7191693 bytes, checksum: 4eba611a9cee045f7f06747bb63a80cb (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / CAPES / Componentesemquadraturadocampoeletromagn´eticoobedecemaoprincipio de incerteza de Heisenberg. Como resultado a Mecˆanica Quˆantica prevˆe que estas componentes n˜ao podem ser especificadas simultaneamente com precis˜ao ilimitada. Estados de incerteza m´ınima (estados coerentes) permitem atingir o menor produto das incertezas em cada quadratura, ambas de mesma magnitude. Al´em disto ´e poss´ıvel construir estados quˆanticos comprimidos, para os quais uma das suas quadraturas atinge um valor menor para o desvio padr˜ao queaqueledefinidoparaumestadodem´ınimaincerteza,incrementandoconsequentemente a incerteza na outra quadratura. Nesta disserta¸c˜ao fazemos uma revis˜ao destes conceitos e apresentamos um esquema experimental com o qual geramosestadoscomprimidos(squeezedstates)daradia¸c˜ao. Este´ebaseadoem umlaserdefibrapulsado(comprimentodeondaλ = 1.56µm, taxaderepeti¸c˜ao fR = 146MHz, largura de pulso τp = 200fs) associado a um interferˆometro de Sagnac n˜ao linear em fibra. Al´em de uma descri¸c˜ao dos principais componentes ´opticos ser˜ao discutidos os mecanismos de gera¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao dos estados comprimidos. / QuadraturecomponentsofthefieldobeyaHeisenberguncertaintyrelation. As a result, quantum mechanics predicts that these components cannot be specified simultaneously with unlimited accuracy. Minimum uncertainty states or coherent states, allow reaching the lowest value of the uncertainty in each quadrature component, both having the same magnitude. It is still possible to construct squeezed quantum states, for which, one of its quadrature components achieves a less value for standard deviation than one that have a state of minimum uncertainty, with the consequence of an increase in the uncertainty of the other quadrature. In this dissertation, these concepts are reviewed and we provide an experimental scheme in order to generate squeezed states of light. This design is based on a pulsed fiber laser (λ = 1.56µm, repetition rate fR = 146MHz, pulse width τp = 200fs) coupled with a nonlinear interferometer, which is composed by a fiber loop in a Sagnac configuration. In order to discuss the experimental results obtained with this scheme, will be carried out adescriptionofthemainopticalcomponents,takingintoaccounttheprincipal mechanisms of generating and measuring of squeezed states.

Les récentes avancées dans le domaine des plates-formes d’instrumentation légères telles que les drones ou les nano-satellites ont fortement augmenté la demande de capteurs compacts, y compris les capteurs d’imagerie hyperspectrale infrarouge qui sont utilisés, de nos jours, dans des nombreuses applications militaires et civiles. Nous proposons une nouvelle caméra hyperspectrale compacte infrarouge dont les performances nous permettront de viser les domaines applicatifs tels que la détection de gaz (panaches volcaniques ou industriels), la détection de véhicules militaires, la surveillance d’ouvrages (barrages, pipelines) ou encore l’agriculture. Pour y arriver, nous avons choisi la spectro-imagerie par transformée de Fourier utilisant un interféromètre biréfringent à décalage latéral. Nous avons ensuite procédé à une modélisation approfondie de tels interféromètres afin de déterminer une configuration optimale associant compacité et résolution spectrale requise. Cette modélisation a été utilisée pour dimensionner trois prototypes avec des spécifications précises : deux prototypes dans le moyen infrarouge, l’un entièrement refroidi et l’autre partiellement refroidi et un prototype dans le lointain infrarouge. Nous avons ensuite réalisé le prototype partiellement refroidi que nous avons caractérisé en laboratoire et que nous avons mis en œuvre sur le terrain. Cette campagne de mesures nous a permis d’obtenir des images hyperspectrales dans des conditions réelles d’utilisation. Par l’analyse de ces images, nous avons évalué les performances opérationnelles de notre système et identifié les points à améliorer. / Recent advances in the field of lightweight technical platforms like UAV or nano-satellite have increased the demand for compact sensors including infrared hyperspectral cameras which are used nowadays in number of military and civilian applications. We propose a new compact infrared hyperspectral camera, the performance of which will allow it to be used in applications like gas detection, military vehicle detection, industrial installation surveillance or agriculture. To do so, we have chosen Fourier transform imaging spectrometry using a birefringent lateral shearing interferometer. Thereafter, we have deeply studied wave propagation in such an interferometer to find out optimal geometries, and we have designed three prototypes: two in the mid-infrared, partially and entirely cooled, and the other in the far infrared spectral domain. The partially cooled prototype has been realized, characterized in the laboratory and tested on the field. This field campaign provided hyperspectral images on real operating conditions. Analysis of these images allowed us to estimate the performance of our system and to identify the points to be improved.

This diploma thesis describes realization and testing on-the-fly measurement using tracking interferometer. This measurement enables to achieve higher amount of measured points and decrease time of machine tool calibration. Calibration and verification values of machine parameters, as well as time of measurement and other details of this method are compared with results of conventional method called trigger. To evaluate the quality of volumetric compensation created from calibration values, we use verification measurement of circular interpolation.

Tato diplomová práce se zabývá konstrukcí interferenčních zařízení pro výzkum měření fáze světla na mikro-strukturách a fáze plazmonů na nano-strukturách. V první kapitole je vybudován teoretický základ pro optiku a nano-fotoniku používané v budoucích kapitolách. Následně je popsána interference vln a jejich praktické použití pro prolomení difrakčního limitu pomocí holografie plazmonů. Prvním experimentální sestavou je Machův-Zehnderův holografický mikroskop. Je popsán způsob, jak ho sestavit z běžně dostupných součástek a jak je navržen ovládací software k jeho používání. Následně jsou popsány výsledky naměřené pomocí tohoto zařízení. V poslední kapitole se zaměříme na sestavení holografického SNOM přístroje pro studování plazmonů a jejich interference. Nejdříve popíšeme základní princip a navržení softwaru pro automatizaci měření, pro zrychlení vědeckých postupů. Nakonec předložíme výsledky měření mikroskopu.

Optical interferometry is a technique by which the diameters and indeed the direct pulsations of stars are routinely being measured. As a follow-on to a 7 year interferometric campaign to measure the pulsations of over 100 mira variables, our team has been using the Spitzer Space Telescope to obtain 95 mid-infrared spectra of 25 miras during their pulsations over one year while simultaneously ascertaining their near-infrared diameters using the Palomar Testbed Interferometer. These data will then be combined with modeling from NLTE and radiative transfer codes to place hard constraints on our understanding of these stars and their circumstellar environments. We present some initial results from this work and discuss the next steps toward fully characterizing the atmosphere, molecular photosphere and dust production in mira variables.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines zielgruppenübergreifenden Buch-Konzeptes im Open-Source-Gedanken und die kritische Diskussion der Vor- und Nachteile des Konzeptes. Den Ausgangszustand dieser Arbeit bilden drei zielgruppenspezifische Konzepte (Maker-Konzept, schulisches Konzept, wirtschaftliches Konzept), die kritisch bewertet werden. Sowohl das Maker-Konzept als auch das schulische und das wirtschaftliche Konzept weisen Stärken und Schwächen auf. Die besondere Neuerung und ein Hauptpunkt des Konzeptes ist die Verwendung von LEGO®-Bausteinen für den Aufbau eines Michelson-Interferometers. Das Interferometer erweist sich dadurch als geeignetes Experiment zur Nachwuchsförderung im Bereich der Optik und Photonik. Die positiven Resultate hinsichtlich der Nachwuchsförderung werden zusätzlich durch den Einsatz von Open-Source-Ansätzen, wie z. B. das Veröffentlichen von Bau- und Justageanleitungen, verstärkt. Schwächen offenbart die Divergenz der Konzepte. Es werden unterschiedliche Aufbauten des Michelson-Interferometers verwendet und an verschiedene Zielgruppen adressiert. Ein Lösungsansatz zur Zusammenführung der verschiedenen Konzepte und Zielgruppen ist das zielgruppenübergreifende Buch-Konzept. Unter Beachtung des Open-Source-Gedanken und der verschiedenen Zielgruppen wird im Rahmen dieser Arbeit ein Buch konzipiert, welches die Lösung der Forschungsfrage darstellen soll: „Ist es möglich, ein Konzept zu entwickeln, welches mehrere Zielgruppen anspricht und gleichzeitig dem Open-Source-Gedanken folgt?“ Hierfür wird der Aufbau des Michelson-Interferometers dahingehend geändert, dass er den Ansprüchen mehrerer Zielgruppen genügt und zudem durch die einheitliche Verwendung von LEGO®-Bausteinen eine einfache Aufbauweise besitzt. Darüber hinaus wird das Buch-Konzept mit einem didaktischen Grundkonzept zur Bild- und Textgestaltung versehen, um eine verständliche, strukturierte und gleichzeitig anschauliche Schritt-für-Schritt-Anleitung zu garantieren. Um ein möglichst positives Resultat im Sinne der Forschungsfrage und dadurch auch einen größtmöglichen Erfolg des Buch-Konzeptes zu gewährleisten, wird das Buch-Konzept in dieser Arbeit selbstkritisch reflektiert, sodass wissenschaftlich begründet geschlossen werden darf: Das Buch trägt zur Nachwuchsgewinnung und –förderung im Bereich der Optik und Photonik bei und wird der Förderidee der zu Grunde liegenden Förderungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gerecht.