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Este trabalho tem por objetivo o estudo de dispersão de pulsos ultracurtos em estruturas metamateriais para a faixa de micro-ondas. Como é bem sabido, os metamateriais são estruturas altamente dispersivas em qualquer faixa de frequências. Essas características dispersivas são normalmente tratadas como deletérias para a propagação de pulsos. Entretanto, nesta dissertação é demonstrado que essas mesmas características podem produzir efeitos benéficos em certas aplicações. Para isso é realizada uma análise teórica detalhada das características de dispersão de células metamateriais de diferentes geometrias. Adicionalmente, é investigada a propagação de um pulso gaussiano em meios metamateriais infinitos com o objetivo de melhor compreender fenomenologia por trás dos efeitos de dispersão nesses materiais. É também apresentado um novo procedimento de homogeneização de metamateriais que permite descrever estes meios de maneira mais precisa e com menor custo computacional que métodos encontrados na literatura. Esse método é baseado em modelos materiais conhecidos, como os de Lorentz e Drude. Este trabalho também apresenta uma nova abordagem para compressão de pulsos e compensação de dispersão por meio da propagação de pulsos de micro-ondas chirpados em metamateriais no regime de refração negativa. Para conseguir esse efeito, são investigadas placas de metamateriais com espessuras de 1, 3, 5 e 7 células metamateriais utilizando o método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) juntamente com técnicas de extração de parâmetros. É demonstrado que com o controle do chirp inicial do pulso, em associação com a densidade/geometria das células metamateriais e de sua resposta em frequência, é possível não só compensar o alargamento temporal desses pulsos devido à dispersão cromática como também realizar a compressão temporal por um fator de 2. / The goal of this work is to study the dispersion of ultra-short microwave pulses in metamaterials structures. It is well known that metamaterials are highly dispersive structures in any frequency range. These dispersive characteristics are normally treated as deleterious to pulse propagation. However, in this dissertation it is demonstrated that these characteristics can produce beneficial effects in certain applications. This assertion is addressed through a theoretical analysis of the dispersion of metamaterials cells of different geometries. In addition, it is investigated the propagation of a gaussian pulse through an infinite homogeneous metamaterial structure aiming at improving our understanding of the phenomenology behind dispersion effects in such media. It is also presented a new homogenization procedure for metamaterials that allows these media to be described in a more realistic manner and with computational cost lower than those currently found in the literature. This procedure is based on well known material models, such as Drude and Lorentz models. This work also introduces an efficient technique for pulse compression and dispersion compensation via propagation of chirped microwave pulses through metamaterials in the negative refraction regime. To accomplish this, it is investigated infinitely wide metamaterial slabs with thicknesses of 1, 3, 5, and 7 cells with a finite difference in time domain method together with a parameter extraction technique. It is demonstrated that by controlling the chirp of the initial pulse, in association with the metamaterial cell density/geometry and frequency response, it is possible not only to compress the pulse (by a factor of 2), but also to compensate pulse broadening due to chromatic dispersion.

Orientador: Solange Bessa Cavalcanti / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T09:40:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LozadaVera_JohnJairo_M.pdf: 3582168 bytes, checksum: b939d006da96c563046ce0074e25f72e (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Estuda-se a interação entre pulsos ópticos ultracurtos e materiais com band gap fotônico, considerando-se a propagação de luz através de estruturas unidimensionais, compostas de uma super-rede dielétrica periódica cuja célula unitária consiste em um par de camadas com diferentes índices de refração n1e n2, respectivamente. Em particular considera-se o caso em que n2, por exemplo, é um material com não linearidade X (3). É bem sabido que a largura e a localização dos band gaps dependem fundamentalmente do contraste entre os índices de refração d n = | n1 - n1 | e, atribuindo-se a n2 um índice de refração dependente da intensidade, conseguimos controlar dinamicamente a largura do band gap com o pulso de luz incidente. Portanto, a idéia básica é investigar a dinâmica de propagação nas vizinhanças de um band gap dependente da intensidade para aplicações importantes no projeto de dispositivos fotônicos, como por exemplo limitadores de luz e switches puramente ópticos. Dentro do formalismo de Maxwell, experimentos computacionais são feitos considerando a propagação de campos ópticos através de super-redes que possuem não linearidades do tipo Kerr, assim como saturável. Esta última é importante para a descrição da interação com pulsos muito intensos já que neste caso a mudança induzida no índice de refração depende de não linearidades de ordem mais alta e, como consequência, alcança uma saturação. Este modelo é apropriado para descrever materiais tais como vidros dopados com semicondutores (e.g. CdS 1-x Sex) polímeros orgânicos, que possuem propriedades ópticas altamente não lineares. A propagação da onda é resolvida usando uma versão modificada no domínio do tempo do método standard fast Fourier Beam Propagation Method (FFT-BPM) com um passo adaptativo, que pode manejar transmissão, difração e, especialmente, reflexões das ondas electromagnéticas causadas por descontinuidades no índice de refração, com a vantagem de não requerer a introdução de condições de contorno adicionais. / Abstract: The interaction of ultrashort optical pulses with photonic band gap materials has been studied by considering light propagation through one-dimensional photonic band gap structures, composed of a periodic multilayer stack of dielectric materials whose unitary cell consists of a pair of layers with different refractive indices n1and n2, respectively. One of these, say n2, is doped with a X (3)nonlinear material. It is well known that band gaps widths and locations depend fundamentally on the refractive index contrast d n = | n1 - n1 | and, by assigning to n2 an intensity dependent refractive index, one is bound to dinamically control the band gap width with the incident light pulse. Therefore, the basic idea here is to investigate the dynamics of propagation in the neighborhood of such an intensity-dependent band gap for important applications in the design of all-optical photonic devices such as limiters and switches. Within the framework of Maxwell's equations, a numerical investigation is made by considering the propagation of optical fields through multilayers with a Kerr, as well as a saturable, type of nonlinearity. The latter is important for the description of the interaction with high field strength pulses because in this case the field-induced change in the refractive index is influenced by higher-order nonlinearities and, as a consequence, this change becomes saturated. This model is appropriate to describe materials such as semiconductor-doped glasses (e.g. CdS 1-x Sex) and organic polymers, which have high nonlinear optical properties. The wave propagation is solved using a time-domain modified version of the standard fast Fourier Beam Propagation Method (FFT-BPM) with an adaptive step size, which can handle transmission, diÿraction and, especially, reflection of electromagnetic waves caused by discontinuities on the refractive index, with the advantange of not requiring the introduction of additional boundary conditions. / Mestrado / Ótica / Mestre em Física

<p> In this thesis, we have developed a full time domain approach for the simulation of pulse propagation in the optical fiber. Same as split-step method in frequency domain, this approach also treats the linear and nonlinear process alternately. To avoid the back and forth transformation between time and frequency domains, a digital Infinite Impulse Response (IIR) filter is used to treat the linear propagation directly in time domain. The signal samples pass through a pre-extracted IIR digital filter where the convolution is simply replaced by a series of operations that consist of shift and multiplication only. </p> <p> Compared with frequency domain method, this approach is fully realized in a "data-flow" fashion. Compared with time domain finite impulse response (FIR) method, this approach can save more memory and computation time. </p> <p> This approach is verified by comparing with the conventional frequency domain split-step Fourier method, and it is applied to the simulation of the pulse propagation, including polarization mode dispersion (PMD) effect in the optical fiber. </p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

El propósito de esta tesis es diseñar y optimizar dispositivos fotónicos en el régimen no lineal. En particular, se han elegido dos tipos de dispositivos, que se clasifican según los fenómenos físicos de interés. La primera clase corresponde a fibras convencionales o de cristal fotónico, diseñadas para que la dinámica temporal de los paquetes de onda que se propagan en su interior genere espectros con las características deseadas, en el contexto del supercontinuo. La segunda clase explota la fenomenología espacial asociada a las ondas electromagnéticas que se propagan sobre la superficie de un metal. Estas ondas permiten, desde diseñar dispositivos tipo chip fotónico cuyas dimensiones típicas están muy por debajo de la longitud de onda de la luz, hasta la generación de estados no lineales híbridos de dinámica singular. Todos estos efectos tienen lugar dentro del marco proporcionado por las ecuaciones de Maxwell macroscópicas, las cuales han sido resueltas numéricamente. En algunos casos se emplean grandes aproximaciones teóricas para estudiar sistemas 1D, mientras que en otros se integran directamente en 3D. En el caso en el que la optimización del dispositivo resulta no trivial tras haber adquirido un conocimiento teórico profundo del mismo, se emplea una novedosa herramienta numérica que nace de la combinación de algoritmos genéticos con plataforma Grid. / Milián Enrique, C. (2012). Optimisation of nonlinear photonic devices: design of optical fibre spectra and plasmonic systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14670

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1512497 bytes, checksum: 049664bc02f2d2d336fd5fe2822b8458 (MD5) Previous issue date: 2013-03-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Granular decorated chains can be used for the development of impact-absorbing devices. Thus, one of the features of those systems is that they can be used as shock absorbers and impact protectors. We study here the pulse propagation in a decorated granular chain, composed of spherical grains, which initially are just touching each other, making use of an effective description, where the original chain was replaced by a decorated chain with effective masses where the grains interact via an effective potential. Our goal was to generalize the results obtained in a previous work, by analizing a decorated chain with an arbitrary number of small grains between the large ones, and thus, presenting an analytical approach that describes the effective masses and the effective interaction between the granules as a function of the quantity small grains between the large ones. In this system the grains interact with each other via the Hertz potential. We presented the comparation between of the numerical and analytical results for the profiles velocity of the large granules in the original chain with the grains of the effective chain, the pulse propagation time, and the frequency of oscillation of the smaller grains in the original chain. We also highlight the use of Binary Theory, which was been widely appllied to describe analitically the properties of the propagating pulse in granular chains. / Cadeias granulares decoradas podem ser usadas no desenvolvimento de aparelhos que visam absorver ondas de choque. Sendo assim, uma das características deste sistema ´e que eles podem ser usados como absorvedores de choque e na proteção contra impactos. Estudamos aqui a propagação de um pulso em uma cadeia granular decorada, composta de grãos esféricos, que inicialmente estão apenas se tocando, fazendo uso de uma descrição efetiva, onde a cadeia original decorada ´e substituída por uma cadeia não decorada com massas efetivas onde os grãos interagiam através de um potencial efetivo. Nosso objetivo foi generalizar os resultados obtidos em um trabalho anterior, analisando uma cadeia decorada com um número qualquer de grãos pequenos entre os maiores, e assim, apresentando uma abordagem analítica que descreve a massa efetiva e a interação efetiva entre os grãos em função da quantidade de grãos pequenos entre os maiores. Neste sistema os grãos interagem através do potencial de Hertz. Apresentamos a comparação entre os resultados numéricos e analíticos, para os perfis de velocidade dos grãos grandes da cadeia original com os grãos da cadeia efetiva, além da comparação do tempo de propagação do pulso, e a frequência de oscilação dos grãos menores na cadeia original. Destacamos também o uso da Teoria Binária, que tem sido bastante aplicada para descrever analiticamente as propriedades da propagação de um pulso em cadeias granulares.

Strong coherence in quasi-resonant laser driven system interferes with effective relaxations, resulting in behaviors like, coherent population trapping and Electromagnetically induced transparency. The Raman system can optimize this utilizing excited coherence in the lambda system when exposed to counter- intuitive pump-stokes pulses. The phenomenon can result in complete population transfer between vibrational levels called Stimulated Raman adiabatic passage(STIRAP). STIRAP and CHIRAP have been studied with Gaussian and chirped pulses. The optical propagation effects in dense medium for these phenomenon is studied to calculate the limitations and induced coherences. Further, the effect of rotational levels has been investigated. The molecular vibrational coherence strongly depends on the effect of rotational levels. The change in coherence interaction for ro-vibrational levels are reported and explained. We have considered the effects on the phase of radiation related to rotational mechanical motion of quantum system by taking advantages in ultra strong dispersion medium provided by quantum coherence in lambda system. The enhanced Fizeau effect on a single atom is observed.

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The work of this dissertation has been to prove that the coherence of multiphoton excitation can be studied by an appropriately phased and time delayed sequence of pulses. An application of this fundamental study of coherence has been made for the enhancement of third harmonic generation. The coherent recovery of the energy lost to the two photon absorption process enalled a larger propagation distance for the fundamental than in an interaction which is incoherent or coherent, but not using a 90 degree phase shifted pulse pair. Phase matching over this longer propagation distance gave an enhancement of third harmonic generation.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1279127 bytes, checksum: 1105a6754e6a3c23ca4d9086f96248a1 (MD5) Previous issue date: 2011-02-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / We study two problems involving granular media, the heat transport in viscous granular gases and the mechanical pulse propagation in a granular chains of toroidal ring. To study the heat transport in granular gases, we consider two mechanisms of viscous dissipation during collisions between grains. In the first mechanism, the dissipative force is proportional to the speed of the grain and dissipates not only energy but also momentum. On the other hand, the dissipative force is proportional to the relative velocity of grains and therefore conserves momentum when it dissipates energy. This allows us to explore the role of the conservation of momentum in the heat transport properties of one-dimensional nonlinear systems. We found a thermal conductivity not divergent with or without conservation of momentum. For the system where there is conservation of momentum we obtain the heat flux decreases faster than the energy loss by inelastic dissipation due to shocks, unlike what happens with the momentum conserving system, indicating that the conservation of momentum has a role relevant. We also implemented an approximation of binary collisions to study the propagation of pulses in a onedimensional chain of O-rings. In particular, we get the analytical results from which the pulse velocity is obtained by simple quadrature. The pulse velocity thus calculated is compared with the velocity obtained by numerical integration of the equations of motion. We study chains with and without precompression, chains precompressed by a constant force at both ends (constant precompression), chains precompressed by gravity (variable precompression). The application of binary collisions approximation for precompressed chains gives us an important generalization of a theory, which until then had been developed for chains without precompression, in other words sonic vacuum state. The velocities calculated using the approximation of binary collisions showed a good agreement with the results obtained from numerical simulations, with relative errors lesser than 8%. / Estudamos dois problemas envolvendo meios granulares, o transporte de calor em gases granulares viscosos e a propagação de pulsos mecânicos em cadeias granulares de anéis toróidais. Para estudar o transporte de calor em gases granulares, consideramos dois mecanismos de dissipação viscosa durante as colisões entre grãos. No primeiro mecanismo, a força dissipativa é proporcional á velocidade do grão e dissipa não apenas energia mas também momentum. No outro, a força dissipativa é proporcional a velocidade relativa dos grãos e portanto conserva momento mesmo quando dissipa energia. Isso nos permite explorar o papel da conservação do momento nas propriedades de transporte de calor desse sistema não linear unidimensional. Encontramos uma condutividade térmica não divergente com ou sem conservação de momento. Para o sistema onde não há conservação do momento obtemos que o fluxo de calor decresce mais rapidamente do que a perda de energia por dissipação devido aos choques inelásticos, diferente do que ocorre no sistema com momento conservado, indicando que a conservação de momento apresenta um papel relevante. Também implementamos uma aproximação de colisões binárias para estudar a propagação de pulsos em uma cadeia de unidimensional de anéis toroidais (O-rings). Em particular, chegamos a resultados analíticos a partir dos quais a velocidade do pulso é obtida por quadratura simples. A velocidade do pulso assim calculada é comparada com a velocidade obtida por integraçãoo numérica das equações de movimento. Estudamos cadeias com e sem precompressão, cadeias precomprimidas por uma força constante nas duas extremidades, (precompressão constante) e cadeias precomprimidas pela gravidade (precompressão variável). A aplicação da aproximação de colisões binárias para cadeias precomprimidas nos dá uma importante generalização de uma teoria que até então só havia sido desenvolvida para cadeias sem precompressão, ou seja, para cadeias em vácuo sônico. As velocidades calculadas usando a aproximação de colisões binárias apresentaram uma boa concordância com os resultados obtidos a partir das simulações numéricas, com erros relativos inferiores a 8%.