Nesta tese estudamos a relação entre as propriedades de absorção de multi-fótons e a estrutura molecular de três classes distintas de compostos orgânicos π-conjugados: derivados de vitamina A, complexos de platina acetilada e compostos quirais. Materiais orgânicos emergiram nas últimas décadas como candidatos para aplicações em dispositivos fotônicos, principalmente aqueles envolvendo processos de absorção multifotônica, uma vez que suas propriedades podem ser facilmente otimizadas através de engenharia molecular. Devido às diferenças inerentes entre as estruturas químicas dos compostos aqui investigados, foi possível verificar individualmente a influência do comprimento de conjugação, da presença de grupos doadores e aceitadores de elétrons (estruturas push-pull), da planaridade molecular e de efeitos de comprimento de ligação sobre a seção de choque de absorção multifotônica. Para tanto, foram utilizadas as técnicas de Varredura-Z convencional e com contínuo de luz branca, espectroscopia de fluorescência por absorção de multi-fótons e fluorescência resolvida no tempo. Para correlacionar as propriedades moleculares com os espectros não-lineares, foram utilizados cálculos de química quântica em conjunto com o modelo de soma de estados essenciais. Através desse modelo foi possível associar aspectos puramente moleculares, como o momento de dipolo de transição, o momento de dipolo estático, a força do oscilador e a largura de linha dos estados eletrônicos com a estrutura molecular dos cromóforos, visando futuras aplicações tecnológicas. Resultados de espectroscopia de absorção de dois fótons revelaram que os derivados da vitamina A, como o trans-β-apo-8-carotenal e all-trans β-caroteno, possuem magnitudes da seção de choque extremamente elevadas (~5000 GM), indicando-os como materiais promissores para armazenamento óptico 3D. Os complexos de platina acetilada apresentaram características impares para aplicações em dispositivos de limitação de potência óptica baseados em processos de absorção de dois e três fótons como, elevadas absortividades não-lineares, boa transparência óptica, baixo limiar de limitação, alto intervalo dinâmico e rápido tempo de resposta. Por fim, os compostos quirais abriram possibilidades de explorar novos efeitos em óptica não-linear como, por exemplo, efeito de dipolo magnético e quadrupolo elétrico, apenas modificando o estado de polarização da luz. / In this thesis we studied the relationship between the multi-photon absorption properties and the molecular structure of three distinct classes of π-conjugated organic compounds: derivatives of vitamin A, platinum acetylide complexes and chiral compounds. Organic materials have emerged as potential candidates for applications involving multiphoton absorption, since their properties can be changed through molecular engineering. Because of the inherent differences between the molecular structures of the compounds investigated here, it was possible to verify the influence of conjugation length, electron donor and acceptors groups (push-pull structures), molecular planarity and effects of bond length alternation on the multi-photon absorption cross-section. To investigate such properties, we have employed the conventional and white-light continuum femtosecond Z-scan technique and multi-photon and time-resolved fluorescence spectroscopy. We have also employed quantum chemical calculation and the essential sum-over-states approach to correlate the impact of molecular properties on the nonlinear spectra. It was possible to link pure molecular features such as transition dipole moment, static dipole moment, oscillator strength and states linewidth with the chromophores structures, aiming at future applications. The two-photon absorption spectroscopy results revealed that the derivatives of vitamin A, such as trans-β-apo-8-carotenal and all-trans β-carotene, present cross-sections values extremely high (~ 5000 GM), indicating them as promising materials for 3D optical storage. The platinum acetylide complexes can be applied in optical power limiting devices based on the two- and three-photon absorption process, since they present unique features, such as high nonlinearity, good optical transparency, low threshold limit, high dynamic range and fast response time. Finally, the chiral compounds opened up new possibilities to be explored in nonlinear optics, such as the effect of magnetic dipole and electric quadrupole, only manipulating the polarization state of the light.

Nesta tese estudamos a relação entre as propriedades de absorção de multi-fótons e a estrutura molecular de três classes distintas de compostos orgânicos π-conjugados: derivados de vitamina A, complexos de platina acetilada e compostos quirais. Materiais orgânicos emergiram nas últimas décadas como candidatos para aplicações em dispositivos fotônicos, principalmente aqueles envolvendo processos de absorção multifotônica, uma vez que suas propriedades podem ser facilmente otimizadas através de engenharia molecular. Devido às diferenças inerentes entre as estruturas químicas dos compostos aqui investigados, foi possível verificar individualmente a influência do comprimento de conjugação, da presença de grupos doadores e aceitadores de elétrons (estruturas push-pull), da planaridade molecular e de efeitos de comprimento de ligação sobre a seção de choque de absorção multifotônica. Para tanto, foram utilizadas as técnicas de Varredura-Z convencional e com contínuo de luz branca, espectroscopia de fluorescência por absorção de multi-fótons e fluorescência resolvida no tempo. Para correlacionar as propriedades moleculares com os espectros não-lineares, foram utilizados cálculos de química quântica em conjunto com o modelo de soma de estados essenciais. Através desse modelo foi possível associar aspectos puramente moleculares, como o momento de dipolo de transição, o momento de dipolo estático, a força do oscilador e a largura de linha dos estados eletrônicos com a estrutura molecular dos cromóforos, visando futuras aplicações tecnológicas. Resultados de espectroscopia de absorção de dois fótons revelaram que os derivados da vitamina A, como o trans-β-apo-8-carotenal e all-trans β-caroteno, possuem magnitudes da seção de choque extremamente elevadas (~5000 GM), indicando-os como materiais promissores para armazenamento óptico 3D. Os complexos de platina acetilada apresentaram características impares para aplicações em dispositivos de limitação de potência óptica baseados em processos de absorção de dois e três fótons como, elevadas absortividades não-lineares, boa transparência óptica, baixo limiar de limitação, alto intervalo dinâmico e rápido tempo de resposta. Por fim, os compostos quirais abriram possibilidades de explorar novos efeitos em óptica não-linear como, por exemplo, efeito de dipolo magnético e quadrupolo elétrico, apenas modificando o estado de polarização da luz. / In this thesis we studied the relationship between the multi-photon absorption properties and the molecular structure of three distinct classes of π-conjugated organic compounds: derivatives of vitamin A, platinum acetylide complexes and chiral compounds. Organic materials have emerged as potential candidates for applications involving multiphoton absorption, since their properties can be changed through molecular engineering. Because of the inherent differences between the molecular structures of the compounds investigated here, it was possible to verify the influence of conjugation length, electron donor and acceptors groups (push-pull structures), molecular planarity and effects of bond length alternation on the multi-photon absorption cross-section. To investigate such properties, we have employed the conventional and white-light continuum femtosecond Z-scan technique and multi-photon and time-resolved fluorescence spectroscopy. We have also employed quantum chemical calculation and the essential sum-over-states approach to correlate the impact of molecular properties on the nonlinear spectra. It was possible to link pure molecular features such as transition dipole moment, static dipole moment, oscillator strength and states linewidth with the chromophores structures, aiming at future applications. The two-photon absorption spectroscopy results revealed that the derivatives of vitamin A, such as trans-β-apo-8-carotenal and all-trans β-carotene, present cross-sections values extremely high (~ 5000 GM), indicating them as promising materials for 3D optical storage. The platinum acetylide complexes can be applied in optical power limiting devices based on the two- and three-photon absorption process, since they present unique features, such as high nonlinearity, good optical transparency, low threshold limit, high dynamic range and fast response time. Finally, the chiral compounds opened up new possibilities to be explored in nonlinear optics, such as the effect of magnetic dipole and electric quadrupole, only manipulating the polarization state of the light.

Nesta tese, estudamos o processo de absorção multifotônica em polímeros e resinas poliméricas, abordando tanto aspectos fundamentais quanto aplicados. Com relação aos aspectos fundamentais, estudamos processos de absorção multifotônica (absorção de dois, três e quatro fótons) no polímero conjugado MEH-PPV (poly(2-methoxy-5-(2´-ethylhexyloxy)-1,4- phenylenevinylene)), utilizando a técnica de Varredura-Z com pulsos ultracurtos. Através desta técnica, determinamos o espectro da absorção de dois, três e quatro fótons do MEHPPV. As seções de choque de absorção de multi-fótons correspondentes a cada processo foram determinadas através do ajuste das curvas experimentais com um conjunto de equações desenvolvidas neste trabalho. Os resultados obtidos permitiram traçar relações entre os espectros não lineares e os níveis de energia do polímero. Na vertente mais aplicada do projeto, estudamos a fotopolimerização de resinas acrílicas através do processo de absorção de dois fótons. Devido ao confinamento espacial da polimerização, graças à absorção de dois fótons, este método permite a confecção de micro-estruturas complexas para diversas aplicações tecnológicas. Além da fabricação de microestruturas convencionais não dopadas, neste trabalho desenvolvemos uma metodologia que possibilita a fabricação de microestruturas dopadas com MEH-PPV, visando a produção de micro-elementos fluorescentes para dispositivos fotônicos, e microestruturas dopadas com quitosana, um polímero biocompatível que pode ser utilizado em aplicações médicas e biológicas. / In this thesis we have studied the multi-photon absorption process in polymers and polymeric resins, exploiting its fundamental as well as technological aspects. Regarding the fundamental aspects, we have studied the multi-photon absorption (two-, three- and four-photon absorption) in the conjugated polymer MEH-PPV (poly(2-methoxy-5-(2´-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene)), by using the Z-scan technique with ultrashort laser pulses. Through this technique, we determined the two-, three- and four-photon absorption spectra of MEH-PPV. The multi-photon absorption cross-sections, corresponding to each specific process, have been determined by fitting the experimental data with a set of equations developed in this work. The results allowed us to correlate the nonlinear absorption spectra to the energy level of the polymer. On the technological side of this thesis, we have investigated the photopolymerization of acrylic resins by two-photon absorption. Because of the spatial confinement of the polymerization, resulting from the two-photon excitation, this method allows the fabrication of complex microstructures which can be used for several technological applications. In addition to the fabrication of undoped microstructures, in this work we have developed a methodology that allows the fabrication of microstructures doped with MEHPPV, aiming the production of fluorescent micro-elements for photonics applications, and microstructures doped with chitosan, a biocompatible polymer, that can be used for medical and biological applications.

Nesta tese, estudamos o processo de absorção multifotônica em polímeros e resinas poliméricas, abordando tanto aspectos fundamentais quanto aplicados. Com relação aos aspectos fundamentais, estudamos processos de absorção multifotônica (absorção de dois, três e quatro fótons) no polímero conjugado MEH-PPV (poly(2-methoxy-5-(2´-ethylhexyloxy)-1,4- phenylenevinylene)), utilizando a técnica de Varredura-Z com pulsos ultracurtos. Através desta técnica, determinamos o espectro da absorção de dois, três e quatro fótons do MEHPPV. As seções de choque de absorção de multi-fótons correspondentes a cada processo foram determinadas através do ajuste das curvas experimentais com um conjunto de equações desenvolvidas neste trabalho. Os resultados obtidos permitiram traçar relações entre os espectros não lineares e os níveis de energia do polímero. Na vertente mais aplicada do projeto, estudamos a fotopolimerização de resinas acrílicas através do processo de absorção de dois fótons. Devido ao confinamento espacial da polimerização, graças à absorção de dois fótons, este método permite a confecção de micro-estruturas complexas para diversas aplicações tecnológicas. Além da fabricação de microestruturas convencionais não dopadas, neste trabalho desenvolvemos uma metodologia que possibilita a fabricação de microestruturas dopadas com MEH-PPV, visando a produção de micro-elementos fluorescentes para dispositivos fotônicos, e microestruturas dopadas com quitosana, um polímero biocompatível que pode ser utilizado em aplicações médicas e biológicas. / In this thesis we have studied the multi-photon absorption process in polymers and polymeric resins, exploiting its fundamental as well as technological aspects. Regarding the fundamental aspects, we have studied the multi-photon absorption (two-, three- and four-photon absorption) in the conjugated polymer MEH-PPV (poly(2-methoxy-5-(2´-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene)), by using the Z-scan technique with ultrashort laser pulses. Through this technique, we determined the two-, three- and four-photon absorption spectra of MEH-PPV. The multi-photon absorption cross-sections, corresponding to each specific process, have been determined by fitting the experimental data with a set of equations developed in this work. The results allowed us to correlate the nonlinear absorption spectra to the energy level of the polymer. On the technological side of this thesis, we have investigated the photopolymerization of acrylic resins by two-photon absorption. Because of the spatial confinement of the polymerization, resulting from the two-photon excitation, this method allows the fabrication of complex microstructures which can be used for several technological applications. In addition to the fabrication of undoped microstructures, in this work we have developed a methodology that allows the fabrication of microstructures doped with MEHPPV, aiming the production of fluorescent micro-elements for photonics applications, and microstructures doped with chitosan, a biocompatible polymer, that can be used for medical and biological applications.