Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-08-09T19:39:05Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Albert Stevens Reyna Ocas.pdf: 14226716 bytes, checksum: 626ce4b48a914f8adcd87579ba5026d1 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-08-15T22:39:53Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Albert Stevens Reyna Ocas.pdf: 14226716 bytes, checksum: 626ce4b48a914f8adcd87579ba5026d1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-15T22:39:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Albert Stevens Reyna Ocas.pdf: 14226716 bytes, checksum: 626ce4b48a914f8adcd87579ba5026d1 (MD5) Previous issue date: 2017-01-17 / CNPq / The nonlinear (NL) optical response of matter to optical fields is described by expressing the induced polarization by a power series of the electric field with NL susceptibilities as coefficients of the series. In the majority of cases reported, the NL behavior of photonic materials is described by the lowest-order susceptibility (second-order in noncentrosymmetric media and third-order in centrosymmetric media). However, even at moderate intensities, the contributions of high-order nonlinearities (HON) are important and their understanding allows the exploitation of new NL effects. This thesis presents a comprehensive study on the origin, fundamentals and measurement procedures of the HON in photonic materials with inversion symmetry. A metal-dielectric nanocomposite (MDNC) and a highly NL solvent, viz. carbon disulfide (CS₂) , were chosen to represent self-defocusing (SDF) and self-focusing (SF) NL media, respectively, both exhibiting HON contributions. For MDNCs, its NL response presents contributions of third- (cubic nonlinearity), fifth- (quintic nonlinearity) and seventh-order (septimal nonlinearity), depending on the properties of the material (volume fraction, environment, size and shape of the nanoparticles) and the incident laser (wavelength, intensity, pulse duration and repetition rate). Based on this statement, it was developed a simple, but effective, nonlinearity management (NM) procedure which enables to control the magnitude and phase of the different high-order susceptibilities by adjusting the light intensity and the volume fraction occupied by the nanoparticles. The NM procedure allowed us to conduct experimental studies of NL effects induced by HON. Experiments based on transverse phenomena such as spatial selfand cross-phase modulation and spatial modulation instability in media with HON, as well as stable propagation of two-dimensional fundamental and vortex solitons, which is only possible in materials with specific HON, are reported in this thesis by using the NM procedure applied to MDNCs. On the other hand, a detailed study of a well-known solvent (liquid CS₂) shows an unusual NL behavior depending on the incident pulse duration. In the picoseconds regime, S₂ behaves as a saturable SF medium, while in the femtoseconds regime, it behaves like a cubicquintic (focusing-defocusing) medium. Characterization, analysis and understanding of both types of NL response allowed to perform important contributions in the field of the optical vortex solitons with attractive applications in all-optical devices and manipulation of light-by-light. All experiments were corroborated by theoretical models and numerical simulations based on the NL Schrödinger equation properly modified to include contributions of HON. / A resposta não linear (NL) da matéria frente aos campos ópticos é descrita expressando a polarização induzida como uma série de potências do campo elétrico, onde as susceptibilidades NLs representam os coeficientes da expansão. Na maioria dos casos reportados, o comportamento NL dos materiais fotônicos é descrito pela susceptibilidade de menor ordem (segunda ou terceira ordem em materiais não centrossimétricos ou centrossimétricos, respectivamente). No entanto, inclusive em intensidades moderadas, as contribuições das não linearidades de altas ordens são importantes e seu entendimento permite a exploração de novos efeitos NLs. Esta tese apresenta um estudo abrangente sobre a origem, fundamentos e procedimentos de medição das não linearidades de altas ordens em materiais fotônicos com simetria de inversão. Um nanocompósito metal-dielétrico (MDNC) e um solvente altamente NL (dissulfeto de carbono-CS₂) foram escolhidos para representar meios NL autodesfocalizadores e autofocalizadores, respectivamente, ambos apresentando contribuições de não linearidades de altas ordens. A resposta NL dos MDNCs apresentam contribuições de terceira, quinta e sétima ordem, dependendo das propriedades do material (fração volumétrica, solvente, tamanho e forma das nanopartículas) e do laser incidente (comprimento de onda, intensidade, duração do pulso e taxa de repetição). Com base nessa afirmação, foi desenvolvido um procedimento simples, porém eficaz, de controlar a resposta NL de MDNCs, permitindo manipular a magnitude e a fase das diferentes susceptibilidades de altas ordens ajustando a intensidade da luz e a fração volumétrica ocupada pelas nanopartículas. O procedimento de controle da resposta NL permitiu conduzir estudos experimentais de efeitos NL sendo induzidos pelas susceptibilidades de altas ordens. Experimentos baseados em fenômenos transversais, tais como automodulação de fase, modulação de fase cruzada e instabilidade da modulação espacial em meios com não linearidades de altas ordens, bem como a propagação estável de solitons fundamentais e solitons vorticais foram estudados nesta tese usando o procedimento de controle da resposta NL aplicado a MDNCs. Por outro lado, um estudo detalhado de um bem conhecido solvente NL (CS₂ líquido) mostra uma resposta NL exótica a qual depende diretamente do tempo de duração do pulso incidente e do regime de intensidades utilizado. No regime de picosegundos, CS₂ se comporta como um meio autofocalizador saturável, enquanto que no regime de fentosegundos apresenta não linearidades de terceira e quinta ordem, simultaneamente. A caracterização, análise e compreensão de ambos tipos de resposta NL permitiram introduzir importantes contribuições no campo dos solitons vorticais, com possíveis aplicações em dispositivos totalmente ópticos e procedimentos de manipulação de luz por luz. Todos os experimentos foram corroborados por modelos teóricos e simulações numéricas baseadas na equação de Schrödinger NL adequadamente modificada para incluir as contribuições de altas ordens.

In this work we investigate how to control the optical and mechanical properties of photonic materials. Firstly we investigated the highly efficient 480 and 800 nm upconversion emissions from Tm3+/Yb3+ co-doped water-free low silica calcium aluminosilicate and tellurite glasses under resonant (976 nm) and anti-Stokes (1064 nm) excitations. As a result of these efficient upconversion processes, luminescent switches with the pump intensity and temperature (the latter under anti-Stokes excitation) have been observed. These switches were explained and discussed using rate equations analysis and saturation effects. Fitting the experimental data point provided the value of the energy transfer parameter related to the 2F5/2, 3H4->2F7/2, 1G4 transition. This switching mechanism could be used in the development of sensors and networks for optical processing and optical communications. Following the study of optical control of mechanical and optical proprieties, we investigated how to use femtosecond laser to write waveguides in Nd3+ doped YAG ceramics by multiple inscriptions of filaments, and if they are resistant to annealing temperatures. We studied two types of structures: “double-filament” and “square-filament” in Nd:YAG samples. We also reported, for the first time to our knowledge, on the fabrication of channel-buried optical waveguides in a Nd:YVO4 crystal by femtosecond laser inscription showing both TM and TE confinements. The optical waveguides obtained in this material emerge as promising candidates for highly efficient self-Raman integrated laser sources. And finalizing, we show the improvement of ultrafast laser written optical waveguides in Yb:YAG ceramics by tailoring the presence of heat accumulation effects. We showed how laser annealing can strongly reduce the concentration of defects and also reduce compressive estresse, leading to an effective 50% reduction in the propagation losses and to more extended and symmetric propagation modes. Micro-luminescence and micro-Raman imaging experiments have been carried out to elucidate the potential application of the obtained waveguides as integrated laser sources as well as to elucidate the waveguiding mechanisms. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho investigamos como controlar as propriedades ópticas e mecânicas de materiais fotônicos. Primeiramente investigamos as emissões por conversão ascendente de energia (CAE) em 480 e 800 nm altamente eficientes de vidros LSCAS (Low Silica Calcium Aluminosilicate) e TL (telurito) co-dopados com Yb3+/Tm3+ sob excitações ressonante (976 nm) e anti-Stokes (1064 nm). Como resultados desses processos eficientes de CAE, foram obtidos switches de luminescência com a intensidade de excitação e a temperatura (este último sob excitação anti-Stokes). Estes switches foram explicados e discutidos usando análises com equações de taxas e efeitos de saturação. Ajustes dos dados experimentais forneceram o valor do parâmetro de transferência de energia associado à transição 2F5/2, 3H4->2F7/2, 1G4. Este mecanismo de switching pode ser usado no desenvolvimento de sensores e redes para processamento óptico e comunicação óptica. Continuando o estudo de controle de propriedades ópticas e mecânicas, investigamos como é possível usar laser de femtosegundo para fabricar guias de ondas em cerâmica de YAG dopada com Nd3+ por meio da inscrição de filamentos, e se eles são resistentes a temperaturas de annealing altas. Estudamos dois tipos de estruturas na amostra de Nd:YAG: “filamento-duplo” e “filamento-quadrado”. Apresentamos também, pela primeira vez para nosso conhecimento, a fabricação de guias de ondas usando inscrição direta com laser de femtosegundo em amostra cristalina de Nd:YVO4, nas quais mostramos confinamentos de ambos os modos TM e TE. Os guias de ondas ópticos obtidos nesse material surgem como candidatos promissores para a fabricação de lasers de auto-Raman integrados com alta eficiência. Por fim, mostramos o aperfeiçoamento de guia de ondas fabricado com lasers de femtosegundos em cerâmica de Yb:YAG controlando a presença de defeitos por meio da acumulação de calor. Mostramos como annealing térmico produzido pelo laser pode fortemente reduzir a concentração de defeitos e o estresse compressivo da rede, resultando numa redução efetiva de 50% das perdas na propagação e modos mais estendidos e simétricos. Experimentos de micro-luminescência e micro-Raman foram utilizados para elucidar a aplicação potencial dos guias de ondas obtidos, como fontes lasers integradas bem como para possibilitar o entendimento das mudanças ocorridas nos guias de ondas.