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.

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.

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.