Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-03-27T20:46:23Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação.pdf: 3142879 bytes, checksum: 86acc16510c6eb3acd7d645922238d47 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-27T20:46:23Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação.pdf: 3142879 bytes, checksum: 86acc16510c6eb3acd7d645922238d47 (MD5) / Trabalhos anteriores já mostraram o dobramento do momento angular orbital de feixes após a geração de segundo harmônico em meios não lineares. Nesse trabalho pretendemos usar a polarização como parâmetro auxiliar para poder incidir em um cristal não linear dois feixes colineares com momentos angulares orbitais diferentes e obter na geração de seu segundo harmônico a soma de seus momentos angulares orbitais e veri car este resultado experimentalmente. / Previous work have already shown the orbital angular momentum doubling after second harmonic generation in non-linear media. In this work we intend to use the polarization as an auxiliary parameter to focus in a non-linear crystal two colinear beams with different orbital angular momentum and obtain in its second harmonic generation the sum of their orbital angular momentum and to verify it exeperimentally.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1944924 bytes, checksum: e08f0978e6406af124c9fe4875d2aa1e (MD5) Previous issue date: 2013-06-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this thesis we discuss some fundamental aspects of the quantum theory from a contemporaneous point of view, where we could develop three works. In the first we analyze theoretically an atomic double-slit interferometer. It has been shown that if the energy eigenstates of the atom are correlated with its particle and wave behaviors, complementary phenomena can be measured simultaneously, indicating a reinterpretation of the complementarity principle. We also demonstrate that this experiment possesses quantum erasure properties. In the second we present a two-particle interferometer in order to analyze the way in which decoherence affects quantum interference. It has been shown how the environmental constituents, here considered as photons, can destroy the oscillations in the coincidence detection rate of the particles. Due to the temporal characteristic of this kind of interference, we name this process as quantum temporal decoherence. In the last work we study the existence of a novel complete family of exact and orthogonal solutions of the paraxial wave equation. The complex amplitude of these beams is proportional to the confluent hypergeometric functions, which we name hypergeometric modes of type-II (HyG-II). It is formally demonstrated that a hyperbolic-index medium can generate and support the propagation of such a class of beams. Since these modes are eigenfunctions of the photon orbital angular momentum, we conclude that an optical fiber with hyperbolic-index profile could take advantage over other graded-index fibers by the capacity of data transmission. / Nesta tese discutimos alguns aspectos fundamentais da teoria quântica de um ponto de vista mais contemporâneo, onde também pudemos desenvolver três trabalhos. No primeiro analisamos teoricamente um interferômetro de fenda dupla para átomos. Mostramos que se os autoestados de energia do átomo estão correlacionados com os comportamentos de partícula e de onda do mesmo, fenômenos complementares podem ser medidos simultaneamente, indicando uma reinterpretação do princípio da complementaridade. O mesmo aparato também apresentou propriedades de apagador quântico. No segundo apresentamos um interferômetro de duas partículas e a maneira como a decoerência afeta o grau de interferência. Mostramos como os constituintes do ambiente, aqui considerados como fótons, podem destruir a oscilação na taxa de coincidência de detecção das partículas. Devido a sua característica temporal, chamamos este processo de decoerência temporal quântica. No último trabalho estudamos a existência de uma nova família de soluções ortogonais da equação paraxial da luz. A amplitude complexa desses feixes são proporcionais às funções hipergeométricas confluentes, que denominamos modos hipergeométricos do segundo tipo (HyG-II). Demonstramos formalmente que um meio com um perfil hiperbólico de índice de refração pode gerar e suportar essa classe de feixes. Uma vez que esses modos são autofunções do momento angular orbital do fóton, concluímos que uma fibra ótica com este perfil de índice, em certas situações, poderia levar vantagem em relação a outras fibras com índice variável na capacidade de transmissão de dados.

We present the theory of orbital angular momentum of light (MAO), based on the basic concepts of electromagnetism, as well as some techniques from generation and characterization of light beams possessing MAO. We also present non-linear optical processes of parametric conversion spontaneous descendant (CPD) and stimulated (CPDE). We reviewed the problem of conservation of MAO in CPD in the scheme does not collinear, describing States of using Laguerre-Gauss beams MAO. We extend this study to the case in which Bessel beams are used to describe the States of MAO. Our results show that rape occurs on conservation law of MAO, which is attributed to deformation of the angular spectrum of beam pumping (pump) transferred to the twin photons. However, this violation can be advantageous because through breach of MAO have access to entangled States of dimension greater than those generated with collinear geometry. As an alternative to the note of the violation of the law of conservation in parametric down conversion process we proposed an experiment based on CPDE, where the experimental implementation is simpler. Using MAO as target and polarization qubit as qubit control, we experimentally a alternative to optical circuit proposal for Li-Ping et al. [16] for the implementation of the logic gate C-NOT. Also we present an application of logic gate C-NOT for the generation of entangled States of a single photon, which can be implemented with our optical circuit. The generation of entangled States, multidimensional, and the implementation quantum logic gates are important for the areas of information and quantum computation. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Apresentamos a teoria do momento angular orbital da luz (MAO), baseada nos conceitos básicos do eletromagnetismo, bem como algumas técnicas de geração e caracterização de feixes de luz possuindo MAO. Apresentamos também os processos ópticos não lineares de conversão paramétrica descendente espontânea (CPD) e estimulada (CPDE). Revisamos o problema da conservação do MAO na CPD no regime não colinear, descrevendo os estados de MAO utilizando feixes Laguerre-Gauss. Extendemos este estudo para o caso em que feixes Bessel são usados para descrever os estados de MAO. Nossos resultados mostram que ocorre violação na lei de conservação do MAO, que é atribuída a deformação do espectro angular do feixe de bombeamento (pump) transferido para os fótons gêmeos. Entretanto, esta violação pode ser vantajosa, pois através da violação do MAO conseguimos ter acesso a estados emaranhados de dimensão maior do que aqueles gerados com geometria colinear. Como alternativa para a observação da violação da lei de conservação no processo de conversão paramétrica descendente, propusemos um experimento baseado na CPDE, onde a realização experimental é mais simples. Utilizando o MAO como qubit alvo e a polarização como qubit controle, realizamos experimentalmente um circuito ótico alternativo à proposta de Li-Ping e colaboradores [16] para a implementação da porta lógica C-NOT. Também apresentamos uma aplicação da porta lógica C-NOT para a geração de estados emaranhados de um único fóton, que pode ser implementada com nosso circuito ótico. A geração de estados emaranhados multidimensionais e a implementaçãode portas lógicas quânticas são importantes para as áreas de informação e computação quântica.

In this work, we develop a new technique to determine the topological charge of a light beam with orbital angular momentum. Our technique is based on the diffraction by a triangular aperture. By performing numerical simulations, for Laguerre-Gaus beams and Bessel beams with different values of l, we found tha the diffraction pattern contains the signature of the topological charge of the beam. Our theoretical predictions for a triangular aperture were experimentally verifiel, demonstrating the the diffraction pattern reveals the topological charge of the light beam. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho, desenvolvemos uma nova técnica para determinar a carga topológica de um feixe de luz com momento angular orbital. Nossa técnica é baseada na difração por uma abertura triangular. Através da realização de simulações numérica, para feixes Laguerre-Gauss e feixes Bessel com diferentes valores de l, descobrimos que o padrão de difração contém a assinatura da carga topológica do feixe. Nossas previsões teóricas para uma abertura triangular foram verificadas experimentalmente, demonstrando que o padrão de difração revela a carga topológica do feixe de luz. Esta técnica torna possível a determinação do módulo e do sinal da carga topológica de um feixe de luz de uma maneira simples e direta.

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2017-04-26T16:56:47Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Anderson_Amaral.pdf: 6016426 bytes, checksum: d9633b708d004572ce2495387f757089 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-26T16:56:47Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Anderson_Amaral.pdf: 6016426 bytes, checksum: d9633b708d004572ce2495387f757089 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / CNPQ / In this thesis are presented various results regarding the transverse structure of light beams in the paraxial propagation regime, with a special concern with singularities in the transverse profile and in nonlinear optics applications. Theoretical and experimental tools were developed for the study of Optical Vortices (OV) and its most important characteristics, as the Orbital Angular Momentum (OAM) and the Topological Charge (TC). In a first step, we theoretically described and experimentally demonstrated that it is possible to shape the intensity profile of a beam containing OV by distributing TC over the plane transverse to the propagation direction [1]. The TC is associated with a phase singularity that implies in points of zero intensity. By distributing the TC on the transverse plane, it is possible to shape the beam dark region and also the OAM profile with the goal of optimizing the light beam for a given application. However, a problem identified in [1] was that most of the current available techniques to characterize OAM light implicitly assume that the beam has cylindrical symmetry, thus being inadequate to characterize fields resulting from more general TC distributions. These problems were approached in a second work [2], where it was shown that by measuring the field transverse amplitude and phase profiles it is possible to measure the OAM and the TC in TC distributions with arbitrary geometries. By combination of the results [1] and [2] it is possible to optimize and characterize the TC distributions for given applications, as for example by designing the transverse forces in an optical tweezer for microparticle manipulation. An important theoretical unfold during these works was the identification of an analogous relation between the field transverse phase in a TC distribution with the Coulomb potential in two-dimensional electrostatics. We then introduced in [3] the Topological Potential (TP) concept which allows the design of structured optical beams with complex spatial profiles inspired by two-dimensional electrostatics analogies. The TP can be used to describe a broad class of TC distributions, as those from [1,2] or the more sophisticate examples in [3]. In another set of results, it is discussed the possibility of using concepts and the formalism of quantum mechanics to solve light propagation problems in the classical approximation. Among the results obtained, it should be remarked that the formalism obtained has a simple and direct relation with ABCD matrices and ray optics [4]. These results were used to understand light propagation in systems containing nonlinear materials, as in SLIM [5] and D4σ [6] techniques. In [5, 6] the theoretical results were compared with experimental data obtained from standard samples, as carbon dissulfide (CS2), acetone and fused silica. It was obtained a very good agreement between the measured optical nonlinearities and the results established in literature for these materials. / Nesta tese são apresentados resultados relacionados com a estrutura transversal de feixes de luz no regime paraxial de propagação, com uma atenção especial em singularidades no perfil transversal e em aplicações para óptica não linear. Foram desenvolvidas ferramentas teóricas e experimentais para o estudo de vórtices ópticos (Optical Vortices - OVs), e suas características mais importantes, como o momento angular orbital (Orbital Angular Momentum - OAM) e a carga topológica (Topological Charge - TC). Inicialmente, foi teoricamente descrito e experimentalmente demonstrado como é possível moldar o perfil de intensidade de um feixe contendo OVs usando uma distribuição de TC sobre o plano transversal à direção de propagação [1]. A TC está associada a uma singularidade na fase, o que implica em um zero de intensidade. Ao se distribuir a TC sobre o plano transversal, é possível moldar o formato da região de intensidade nula e também o perfil de OAM no intuito de otimizar o feixe para uma dada aplicação. No entanto, um problema identificado neste trabalho é que a maior parte das técnicas de caracterização disponíveis para luz com OAM implicitamente supunham que o feixe possui simetria cilíndrica, e portanto não eram adequadas para caracterizar campos obtidos a partir de distribuições de TC com geometrias mais gerais. Tais problemas foram abordados em um segundo trabalho [2], onde foi mostrado que por meio de medições dos perfis transversais de amplitude e fase do campo elétrico é possível medir o OAM e a TC em distribuições de TC com formas geométricas arbitrárias. A união dos trabalhos [1] e [2] permite então que as distribuições de TC possam ser adequadamente otimizadas e caracterizadas para aplicações específicas, como por exemplo ao moldar as forças transversais numa pinça óptica para a manipulação de micropartículas. Um desdobramento teórico importante obtido foi identificar uma relação análoga entre o perfil de fase em uma distribuição de TC com o potencial de Coulomb em eletrostática bidimensional. Foi então introduzido em [3] o conceito de potencial topológico (Topological Potential - TP) que possibilita a construção de feixes ópticos estruturados com perfis espaciais complexos inspirados em analogias com eletrostática bidimensional. O TP pode ser usado na descrição de uma grande variedade de distribuições de TC, como nos feixes em [1, 2] ou nos exemplos mais sofisticados em [3]. Posteriormente, é discutida a possibilidade de se utilizar conceitos e o formalismo da mecânica quântica na solução de problemas de propagação da luz descrita na aproximação clássica. Dentre os resultados obtidos, destaca-se que o formalismo possui uma relação simples e direta com as matrizes ABCD e a óptica de raios [4]. Estes resultados foram utilizados na compreensão da propagação da luz em sistemas contendo materiais não lineares, como nas técnicas SLIM [5] e D4σ[6]. Nos trabalhos [5,6] os resultados teóricos foram comparados com dados experimentais obtidos em amostras padrão, como dissulfeto de carbono (CS2), acetona e sílica fundida. Foi obtida uma concordância muito boa entre os valores medidos para as não linearidades ópticas nestes materiais e os valores estabelecidos na literatura.

Componentes de buraco de nêutrons nos isótopos ANTPOT 99, 101, 103 Ru foram investigadas atrav6s de reações (d,t), induzidas por dêuterons de 15,5 MeV em ANTPOT 100Ru e 16 MeV em ANTPOT 102 Ru e ANTPOT 101 Ru. Os grupos de trítons emergentes, analisados em momento por um espectrógrafo magnético, foram detectados em placas de emulsão nuclear. Resolução em energia melhor que 8 keV permitiu a identificação de 14, 36 e 46 níveis, até as energias de excitação de 1,4; 2,1 e 2,5 MeV, respectivamente, nos ANTPOT 99, 101, 103 Ru. Os momentos angulares orbitais transferidos, l, e as intensidades espectroscópicas foram obtidos a partir da comparação entre distribuições angulares experimentais, medidas cm ângulos judiriosamente escolhidos entre 8º e 46º, e as previstas pela Aproximação de Born com Ondas Distorcidas. A análise das distribuições das intensidades espectroscópicas, associadas a cada l, nos três isótopos revela um padrão de semelhança, embora haja um deslocamento das maiores intensidades espectroscópicas para menores energias, quando se eleva o número de nêutrons, que indica, juntamente com um aumento da densidade de níveis, crescente deformação nuclear. Especial atenção é dirigida a transições para estados de baixa energia de excitação com l = 3 e l = 1, associadas a orbitais não pertencentes à camada de valência, cuja descrição é discutida em termos de um modelo quase-partícula-rotor prolato, não-rígido, com o tratamento completo da interação de Coriolis, e do Modelo de Bósons e Férmions Interatuantes. / Neutron-hole components in 99, 101, 103 Ru Isotopes were Investigated by (d,t) reactions at incident deuteron energies of 15.5 MeV and 16 MeV on, respectively, 100 Ru and 102,104 Ru. Outgoing triton groups were momentum analyzed by a magnetic spectrograph and dctectcd in nuclear emulsion plates with an energy resolution better than 8 keV. A total of 14, 36 and 46 leveis up to 1.4, 2.1 and 2.5 MeV excitation energy were identified, respectively, 99, 101, 103 Ru. The transferred orbital angular momenta, l, and the spectroscopic strengths were obtained by con1paring experimental angular distributions, measured at carefully chosen scattering angles between 8º and 46º, with Distorted Wave Born Approximation predictions. The analysis of the spectroscopic strength distributions corresponding to each l-value reveals a similar pattern among the three isotopes, although there is a shift of the highest strengths towards low energy, for increasing neutron number, indicating increasing deform at ion. Special attention is drawn to transitions to low-lying states with l=3 and l=1 character, associated with the next major shell, whose description is discussed in terms of a quasiparticle-prolate non-rigid rotor model with the Coriolis effect fully treated, and the Interacting Boson-Fermion Model.

Componentes de buraco de nêutrons nos isótopos ANTPOT 99, 101, 103 Ru foram investigadas atrav6s de reações (d,t), induzidas por dêuterons de 15,5 MeV em ANTPOT 100Ru e 16 MeV em ANTPOT 102 Ru e ANTPOT 101 Ru. Os grupos de trítons emergentes, analisados em momento por um espectrógrafo magnético, foram detectados em placas de emulsão nuclear. Resolução em energia melhor que 8 keV permitiu a identificação de 14, 36 e 46 níveis, até as energias de excitação de 1,4; 2,1 e 2,5 MeV, respectivamente, nos ANTPOT 99, 101, 103 Ru. Os momentos angulares orbitais transferidos, l, e as intensidades espectroscópicas foram obtidos a partir da comparação entre distribuições angulares experimentais, medidas cm ângulos judiriosamente escolhidos entre 8º e 46º, e as previstas pela Aproximação de Born com Ondas Distorcidas. A análise das distribuições das intensidades espectroscópicas, associadas a cada l, nos três isótopos revela um padrão de semelhança, embora haja um deslocamento das maiores intensidades espectroscópicas para menores energias, quando se eleva o número de nêutrons, que indica, juntamente com um aumento da densidade de níveis, crescente deformação nuclear. Especial atenção é dirigida a transições para estados de baixa energia de excitação com l = 3 e l = 1, associadas a orbitais não pertencentes à camada de valência, cuja descrição é discutida em termos de um modelo quase-partícula-rotor prolato, não-rígido, com o tratamento completo da interação de Coriolis, e do Modelo de Bósons e Férmions Interatuantes. / Neutron-hole components in 99, 101, 103 Ru Isotopes were Investigated by (d,t) reactions at incident deuteron energies of 15.5 MeV and 16 MeV on, respectively, 100 Ru and 102,104 Ru. Outgoing triton groups were momentum analyzed by a magnetic spectrograph and dctectcd in nuclear emulsion plates with an energy resolution better than 8 keV. A total of 14, 36 and 46 leveis up to 1.4, 2.1 and 2.5 MeV excitation energy were identified, respectively, 99, 101, 103 Ru. The transferred orbital angular momenta, l, and the spectroscopic strengths were obtained by con1paring experimental angular distributions, measured at carefully chosen scattering angles between 8º and 46º, with Distorted Wave Born Approximation predictions. The analysis of the spectroscopic strength distributions corresponding to each l-value reveals a similar pattern among the three isotopes, although there is a shift of the highest strengths towards low energy, for increasing neutron number, indicating increasing deform at ion. Special attention is drawn to transitions to low-lying states with l=3 and l=1 character, associated with the next major shell, whose description is discussed in terms of a quasiparticle-prolate non-rigid rotor model with the Coriolis effect fully treated, and the Interacting Boson-Fermion Model.

In this doctoral thesis we investigate several experiments exploring the light orbital angular momentum and the Fraunhofer diffraction of light. Our investigations goes from coherent propagation, continue through incoherent propagation, arriving at semiclassical states used to explore one fundamental problem in quantum mechanics, i. e., the Born’s rule. Therefore, concerning coherent propagation of light with orbital angular momentum, we were first involved with studies about Fraunhofer diffraction of this type of light, by a single slit and by a square aperture. In the former work we studied the Fraunhofer diffraction when the slit center is aligned with the vortex center and when it is out of the vortex center. Concerning the work related to the square aperture, we show that the diffraction by such aperture is not sufficient to characterize the topological charge. Continuing the works, we also investigate the Fraunhofer diffraction of light with orbital angular momentum of fractional topological charge in the real space. An interesting phenomenon, the birth of a vortex, was studied at Fraunhofer plane, showing new conclusions in the study of fractional topological charges. Our studies continued with the Fraunhofer propagation of vortices in incoherent light, unveiling strong correlations between incoherent vortices. Finally, we explored semiclassical aspects of light with orbital angular momentum. Firstly, the topological charge determination via the spatial probability distribution of detection of photons diffracted by a triangular aperture. After, the validation of the Born’s rule using diffraction, by three slits disposed in a triangular configuration, of photons with an extra phase, i. e., the azimuthal phase added to the path phase. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta tese de doutorado investigamos diversos experimentos que exploram o momento angular orbital da luz e a difração de Fraunhofer. Nossas investigações abrangeram desde propagação coerente, passando por propagação incoerente, chegando a estados semiclássicos usados para explorar uma questão fundamental da mecânica quântica, a saber, a regra de Born. Portanto, no que concerne à propagação de luz coerente com momento angular orbital, estivemos envolvidos primeiramente com estudos da difração de Fraunhofer deste tipo de luz, por uma fenda simples e por uma abertura quadrada. No primeiro trabalho estudamos a difração de Fraunhofer quando o centro da fenda está alinhado com o centro do vórtice e quando está deslocado do centro do vórtice. Quanto ao trabalho relacionado à abertura quadrada, mostramos que a difração de Fraunhofer por tal abertura não permite caracterizar a carga topológica. Prosseguindo os trabalhos, investigamos também a difração no plano de Fraunhofer de luz com momento angular de carga fracionária no plano real. Um interessante fenômeno, o nascimento de um vórtice, foi estudado no plano de Fraunhofer, mostrando novas conclusões nos estudos relacionados à carga fracionária. Nossos estudos continuaram com a propagação de Fraunhofer de vórtices em luz incoerente, revelando fortes correlações entre vórtices incoerentes. Por fim, exploramos aspectos semiclássicos da luz com momento angular orbital. Primeiramente, a determinação da carga topológica via distribuição de probabilidade espacial de detecção de fótons difratados por uma abertura triangular. Posteriormente, a validação da regra de Born utilizando difração, por três fendas simples dispostas na forma triangular, de fótons com uma fase extra, ou seja, a fase azimutal, adicionada à fase de caminho.