As técnicas de lente térmica (LT) e \"Z-scan\" foram usadas para estudar as propriedades termo-óticas (difusividade térmica, condutividade térmica, taxa de variação do caminho ótico em função da temperatura e eficiência quântica de fluorescência) e não-lineares (partes real e imaginária do índice de refração não-linear, diferença de polarizabilidade e da seção de choque de absorção entre os estados excitado e fundamental, respectivamente) de sólidos dopados com Neodímio e Cromo. Uma nova extensão da técnica de LT foi proposta para determinar a eficiência quântica de fluorescência sem necessitar de amostra referência, como é feito na maioria dos métodos fototérmicos. Além disso, ambas técnicas foram usadas como espectroscopia, ou seja, a LT foi usada para estudar a forma de linha do calor gerado no material quando a excitação é feita próximo da banda de absorção do material, possibilitando assim a determinação da eficiência de transferência entre a matriz e o íon dopante, e a técnica \"Z-scan\" foi adaptada para medir a forma de linha do índice de refração não-linear próximo das linhas de emissão laser nos cristais dopados com Cromo. / The Thermal Lens (TL) and Z-scan technique were used to study the thermo-optical (thermal diffusivity, thermal conductivity, temperature coefficient of the optical path length change and fluorescence quantum efficiency) and nonlinear optical (parts real and imaginary of the refractive index, polarizability difference and absorption cross section between the excited and ground states, respectively) properties of Neodymium and Chromium doped solids. A new extension of the TL technique was proposed to determine the fluorescence quantum efficiency without measuring a reference sample, as done by any photothermal method Moreover, both techniques were used as an spectroscopy one, i. e., the TL was used to study the line shape of the heat created in material when the excitation is done near at the host absorption band, allowing the determination of the energy transfer efficiency between the host and the dopant ion, and the 2-scan technique was adapted to measure the line shape of the nonlinear refractive index near the laser lines in Chromium doped crystals.

As propriedades ópticas não lineares refrativas e absortivas de ferrofluidos, formados por nanopartículas de magnetita dispersas em óleo ou em água, e de filmes finos feitos a partir dos ferrofluidos são estudadas através da técnica experimental de varredura-z. Um feixe laser Gaussiano pulsado, com cerca de 200 femtosegundos de largura de pulsos e comprimento de onda de 800 nm, é utilizado para a medida do índice de refração não linear n2 e do coeficiente de absorção de dois fótons . Apresentamos toda a caracterização do feixe necessária para tais medidas, assim como as caracterizações ópticas e estruturais das amostras. Em particular, os diâmetros das nanopartículas são obtidos pelas técnicas de difratometria de raios X, espalhamentos de raios X a baixos ângulos e microscopia eletrônica de transmissão. Os efeitos ópticos não lineares provenientes do aquecimento da amostra pelo laser são evitados com o emprego, em conjunto, de um obturador eletromecânico e de um modulador eletro-óptico. n2 e são medidos em função do diâmetro médio das nanopartículas, e como resultado diminui com a diminuição do diâmetro médio das nanopartículas. Além disso, a comparação de para amostras de diferentes concentrações permite a obtenção da seção de choque de absorção de dois fótons 2PA da magnetita. As absorções e refrações não lineares também são estudadas em função da aplicação de um campo magnético externo sobre os filmes finos e ferrofluidos. Para esses últimos, os valores de aumentam com a aplicação de campo magnético na mesma direção da polarização da luz, e diminuem com a aplicação de campo perpendicular à polarização. Os possíveis motivos de tal comportamento são discutidos e a determinação de elementos do tensor susceptibilidade óptica de terceira ordem são obtidos a partir desses resultados. / The refractive and absorptive nonlinear optical properties of ferrofluids, made with magnetite nanoparticles in water or oil, and of thin films made from the ferrofluids, are investigated by z-scan technique. A Gaussian pulsed laser beam, with pulse width of ~ 200 femtoseconds and wavelength of 800 nm is used in the nonlinear refractive index n2 and two-photon absorption coefficient measurements. The beam characterization is detailed, as well as the samples optical and structural characterization. The nanoparticles mean diameters, especially, are achieved by X-ray diffractometry, small angle X-ray scattering and transmission electron microscopy. An electro-optical modulator and an electromechanical shutter are applied in the setup to avoid the thermal nonlinear optical effects, that could be present due to the sample heating by the beam. n2 and are measured as a function of the mean nanoparticles diameters, and as a result, values decrease when the diameters decrease. Besides, the values comparison for samples with different concentrations allows the determination of the magnetite two-photon absorption cross section 2PA. The nonlinear absorption and refraction are also studied as a function of an external magnetic field applied in the thin films and ferrofluids. For the last, values increase with the field when its direction is parallel to the light polarization, and decrease with field when its direction is perpendicular to the polarization. The possible reasons are discussed, and some elements of the third-order optical susceptibility are obtained from these results.

As técnicas de lente térmica (LT) e \"Z-scan\" foram usadas para estudar as propriedades termo-óticas (difusividade térmica, condutividade térmica, taxa de variação do caminho ótico em função da temperatura e eficiência quântica de fluorescência) e não-lineares (partes real e imaginária do índice de refração não-linear, diferença de polarizabilidade e da seção de choque de absorção entre os estados excitado e fundamental, respectivamente) de sólidos dopados com Neodímio e Cromo. Uma nova extensão da técnica de LT foi proposta para determinar a eficiência quântica de fluorescência sem necessitar de amostra referência, como é feito na maioria dos métodos fototérmicos. Além disso, ambas técnicas foram usadas como espectroscopia, ou seja, a LT foi usada para estudar a forma de linha do calor gerado no material quando a excitação é feita próximo da banda de absorção do material, possibilitando assim a determinação da eficiência de transferência entre a matriz e o íon dopante, e a técnica \"Z-scan\" foi adaptada para medir a forma de linha do índice de refração não-linear próximo das linhas de emissão laser nos cristais dopados com Cromo. / The Thermal Lens (TL) and Z-scan technique were used to study the thermo-optical (thermal diffusivity, thermal conductivity, temperature coefficient of the optical path length change and fluorescence quantum efficiency) and nonlinear optical (parts real and imaginary of the refractive index, polarizability difference and absorption cross section between the excited and ground states, respectively) properties of Neodymium and Chromium doped solids. A new extension of the TL technique was proposed to determine the fluorescence quantum efficiency without measuring a reference sample, as done by any photothermal method Moreover, both techniques were used as an spectroscopy one, i. e., the TL was used to study the line shape of the heat created in material when the excitation is done near at the host absorption band, allowing the determination of the energy transfer efficiency between the host and the dopant ion, and the 2-scan technique was adapted to measure the line shape of the nonlinear refractive index near the laser lines in Chromium doped crystals.

O índice de refração não-linear n2 é o parâmetro chave da não-linearidade de terceira ordem em materiais ópticos. Um método simples, direto e sensível para medição do índice de refração não-linear (n2) é a técnica Z-scan proposta Sheik-Bahae et al 1. Nesse trabalho, um estudo sistemático quanto a esta técnica foi realizado. Utilizando a integral de difração de Fresnel-Kirchhoff, foi possível analisar a técnica investigando a influência do raio de abertura da íris. Foram obtidas expressões analíticas inéditas quando consideramos baixas não-linearidades induzidas por amostras finas. Esses resultados mostraram que o valor de n2 obtido é aproximadamente 36% maior do que n2 obtido por Sheik-Bahae para abertura linear de S=0,5, por exemplo.Extensões da técnica foram feitas, onde simulações para testar a viabilidade de medidas Z-scan no campo próximo e com dois feixes foram realizadas, de onde também foi possível encontrar resultados analíticos inéditos. Esses resultados teóricos foram testados tanto para feixe único quanto duplo em alguns experimentos, sendo obtido um bom acordo. Por fim, um novo método para medição do índice de refração não-linear não-degenerado foi proposto, em que é possível obter n2 no comprimento de onda do feixe de prova, num experimento com dois feixes. Esse resultado é importante uma vez que, em muitos casos, não é possível a realização de uma medida Z-scan convencional, devido ao fato da amostra não absorver o comprimento de onda do feixe de prova. Um resultado de n2 para rubi em 633nm foi obtido em bom acordo com resultados prévios da literatura, em que foram utilizadas técnicas de maior complexidade experimental. / The nonlinear refractive index n2 is the key parameter of the third order nonlinearity of optical materials. A simple, direct and sensitive measurement of nonlinear refractive index n2 is so-called Z-scan technique proposed by Sheik Bahae et al 1. In this work, a systematic study on this technique was performed. Based on Fresnel-Kirchhoff diffraction integral formula, it was possible to analyze the technique in order to investigate the influence of the apertures radius. We obtained unpublished analytical expressions when we consider small nonlinearities induced by thin samples. These results showed that the value of n2 obtained is about 36% larger than n2 obtained by Sheik-Bahae when the linear opening is 50%, for example.Extensions about the technique were made. Simulations were performed in order to test the feasibility of near-field Z-scan and two-color Z-scan measurements. Again it was also possible to find unpublished analytical results. The theoretical results were tested in some experiments and good agreement was found. Finally, a new method for measuring the nondegenerate refractive index was proposed. So, there is the possibility to obtain n2 at the wavelength of the probe beam in a two-color Z-scan experiment. This result is important since in many cases is impossible to perform a conventional z-scan measurement, due to the fact that the sample does not absorb the wavelength of the probe beam. A result of n2 for ruby at 633nm was obtained in good agreement with previous studies.

Estudamos o efeito de Conjugação de Fase por Mistura Degenenerada de Quatro Ondas em Al2O3:Cr+3 (Rubi) e GdAlO3:Cr+3 com um laser de Ar (λ=5145 Å). Obtivemos eficiência aproximadamente quatro vezes maior no GdAlO3:Cr+3 (onde este trabalho é original) que no Rubi o que nos motivou a investigar as propriedades físicas que são relevantes para o fenômeno nestes sistemas (isto não foi bem compreendido no trabalho anterior em Rubi). Desenvolvemos um método interferométrico muito sensível para medida dos coeficientes não lineares do índice de refração n2 destes materiais (que não eram conhecidos) Com estes valores de n2 calculamos a eficiência de Conjugação de Fase em bom acordo com experiência. / We have studied the effect of Phase Conjugation by Degenerate Four Wave Mixing in Al2O3:Cr+3 (Rubi) and GdAlO3:Cr+3 with an Ar (λ=5145 Å). We obtained efficiency ?approximately? 4 times greater in GdAlO3:Cr+3 (where this work is original) than in Rubi and this have motivated us to investigate the physical properties that are important to explain this phenomenon in these materials (what wasn\'t well understood in the previous paper on Rubi(10)). We developed an interferometric method very sensitive to measure the nonlinear coeficient of refractive index n2 of these materials (what wasn\'t known). With these values of n2 we calculated the efficiency of the Phase Conjugation in good agreement with the experience.

Nesta tese estudamos a dinâmica das não linearidades ópticas em compostos orgânicos, mais especificamente em amostras de bis-ftalocianina de itérbio, derivados do álcool furfurílico e compostos azo-aromáticos. Para que a dinâmica dos processos ópticos não lineares pudesse ser investigada nesses materiais, desenvolvemos uma extensão experimental à técnica de varredura-Z convencional, denominada de varredura-Z com trem de pulsos. Nesta técnica, o trem de pulsos de um laser Q-switched/mode-locked é convenientemente empregado para o estudo da dinâmica de processos não lineares no intervalo de 10 a 1000 ns, permitindo a discriminação entre não linearidades rápidas e processos lentos ou acumulativos. Os resultados obtidos através desta técnica nos diversos materiais estudados, complementados com medidas ópticas lineares, tornaram possível a determinação da origem dos processos não lineares refrativos e absorcivos, permitindo também a determinação dos parâmetros espectroscópicos do estado excitado. / This work reports the dynamic nonlinear optical properties of organic compounds, namely, ytterbium bis-phthalocyanine, furfuryl alcohol derivatives and azo-aromatic compounds. In order to carry out this investigation we developed an experimental extension to the standard Z-scan technique, named Z-scan with pulse trains. In this method, pulse trains contained in Q-switched/mode-locked lasers can be advantageously used to study dynamic optical nonlinearities in the 10-1000 ns time interval, allowing the discrimination between fast and slow (cumulative) nonlinear effects. The results obtained in the compounds studied with this technique, complemented with linear optical measurements, permitted the nonlinear refraction and absorption origin to be determined, allowing the characterization of excited state spectroscopic parameters.

Femtosecond laser has been an essential tool for nonlinear optics and materials processing at micrometer scale, in which chalcogenide and heavy metal oxide glasses have received special attention not only for their high third-order optical nonlinearities but also due to their transparency up to the infrared regions. Although metallic nanoparticles are expected to improve the optical properties of glasses, there are no enough experimental researches about their influence on the nonlinear refractive index (n2) and nonlinear absorption coefficient (&#946), moreover at femtosecond regime. Based on the scientific and technological interests on highly nonlinear glasses, the goal of this thesis was to apply femtosecond laser pulses in two main domains: (i) at the basis of fundamental science, to study the effect of metallic nanoparticles in the third-order nonlinear optical properties of glasses; and (ii) at the field of applied science, aiming the development of photonic devices, performed by the fabrication of 3D optical waveguides containing metallic nanoparticles. This aim was achieved through the techniques of z-scan and femtosecond laser micromachining, which provided the nonlinear optical characterization and waveguides development, respectively. First, we analyzed the third-order nonlinear optical properties of the GeO2-Bi2O3 glass containing gold nanoparticles, which promoted saturation of the absorption in the region of the surface plasmon resonance band. On the other hand, these gold nanoparticles did not affect the n2 that kept constant in the wavelength range of 480 - 1500 nm. The same features were investigated for a Pb2P2O7-WO3 matrix doped with copper nanoparticles. In contrast to the gold doped ones, these samples showed a slight enhancement of the nonlinear refractive index when the energy of the excitation approaches the surface plasmon band. We also found out that the Pb2P2O7-WO3 matrix is a good host to grow silver nanoparticles by fs-laser micromachining. Similarly, copper nanoparticles were produced in a borosilicate glass using single-step laser processing. The explanation for metallic nanoparticle formation is addressed in this thesis, as well as, its application in waveguides. Thus, we demonstrated the functionality of optical waveguides containing Cu0 or Ag0 nanoparticles. Still based on the technological interests on glasses doped with nanoparticles, we showed a single-step synthesis of silver sulfide nanoparticles in chalcogenide glass, which was carried in partnership with researches at Princeton University. The materials investigated in this PhD work are of great importance for photonics, in which the synthesis of nanoparticles, fabrication of waveguides and nonlinear optical characterization have been performed. / O laser de femtossegundos tem sido uma ferramenta essencial tanto para a óptica não-linear quanto para o processamento de materiais na escala micrométrica, na qual os vidros calcogenetos e óxidos de metais pesados têm recebido atenção especial, não apenas pelas suas elevadas não-linearidades ópticas de terceira ordem, mas também devido à sua transparência até o infravermelho. Embora seja esperado que nanopartículas metálicas melhorem as propriedades ópticas dos vidros, não existe investigações experimentais suficientes sobre a sua influência no índice de refração não linear (n2) e no coeficiente de absorção linear (&#946), sobretudo no regime de femtossegundos. Com base nos interesses científicos e tecnológicos de vidros altamente não-lineares, o objetivo deste trabalho foi aplicar pulsos laser de femtossegundos em dois domínios principais: (i) na campo da ciência fundamental, para estudar o efeito de nanopartículas metálicas nas propriedades ópticas não lineares de terceira ordem destes materiais; e (ii) no domínio da ciência aplicada, visando o desenvolvimento de dispositivos fotônicos, realizado pelo fabricação de guias de onda tridimensionais contendo nanopartículas metálicas. Este objetivo foi alcançado através das técnicas de varredura-z e microfabricação com laser de femtossegundos, que proporcionaram a caracterização óptica não-linear e o desenvolvimento de guias de onda, respectivamente. Primeiramente, foram investigadas as propriedades ópticas não-lineares de terceira ordem do vidro GeO2-Bi2O3 contendo nanopartículas de ouro, as quais promoveram saturação da absorção na região da banda de ressonância de plásmon. Por outro lado, essas nanopartículas não afetaram o n2, que se manteve constante no intervalo de comprimento de onda 480 - 1500 nm. As mesmas características foram investigadas para uma matriz Pb2P2O7-WO3 dopada com nanopartículas de cobre. Em contraste com os vidros dopados com ouro, estas amostras apresentaram um ligeiro aumento do índice de refração não linear quando a energia de excitação está próxima da banda de ressonância de plásmon. Observou-se ainda que a matriz Pb2P2O7-WO3 é ideal para a obtenção de nanopartículas de prata através da microfabricação com laser de femtossegundos. Similarmente, nanopartículas de cobre foram produzidas em vidro de borosilicato usando somente uma varredura a laser. A explicação para a formação de nanopartículas metálicas é abordada nesta tese, bem como sua aplicação em guias de onda. Deste modo, demonstrou-se a funcionalidade de guias de onda ópticos compostos por nanopartículas de Cu0 e Ag0. Ainda com base nos interesses tecnológicos em vidros dopados com nanopartículas, demonstrou-se uma síntese de nanopartículas de sulfeto de prata em vidro calcogeneto usando o processamento de única etapa, realizada em parceria com pesquisadores da Universidade de Princeton. Os materiais investigados neste trabalho de doutorado são de grande importância para aplicações em fotônica, em que a síntese de nanopartículas, a fabricação de guias de onda e a caracterização óptica não-linear foram realizadas.

O índice de refração não-linear n2 é o parâmetro chave da não-linearidade de terceira ordem em materiais ópticos. Um método simples, direto e sensível para medição do índice de refração não-linear (n2) é a técnica Z-scan proposta Sheik-Bahae et al 1. Nesse trabalho, um estudo sistemático quanto a esta técnica foi realizado. Utilizando a integral de difração de Fresnel-Kirchhoff, foi possível analisar a técnica investigando a influência do raio de abertura da íris. Foram obtidas expressões analíticas inéditas quando consideramos baixas não-linearidades induzidas por amostras finas. Esses resultados mostraram que o valor de n2 obtido é aproximadamente 36% maior do que n2 obtido por Sheik-Bahae para abertura linear de S=0,5, por exemplo.Extensões da técnica foram feitas, onde simulações para testar a viabilidade de medidas Z-scan no campo próximo e com dois feixes foram realizadas, de onde também foi possível encontrar resultados analíticos inéditos. Esses resultados teóricos foram testados tanto para feixe único quanto duplo em alguns experimentos, sendo obtido um bom acordo. Por fim, um novo método para medição do índice de refração não-linear não-degenerado foi proposto, em que é possível obter n2 no comprimento de onda do feixe de prova, num experimento com dois feixes. Esse resultado é importante uma vez que, em muitos casos, não é possível a realização de uma medida Z-scan convencional, devido ao fato da amostra não absorver o comprimento de onda do feixe de prova. Um resultado de n2 para rubi em 633nm foi obtido em bom acordo com resultados prévios da literatura, em que foram utilizadas técnicas de maior complexidade experimental. / The nonlinear refractive index n2 is the key parameter of the third order nonlinearity of optical materials. A simple, direct and sensitive measurement of nonlinear refractive index n2 is so-called Z-scan technique proposed by Sheik Bahae et al 1. In this work, a systematic study on this technique was performed. Based on Fresnel-Kirchhoff diffraction integral formula, it was possible to analyze the technique in order to investigate the influence of the apertures radius. We obtained unpublished analytical expressions when we consider small nonlinearities induced by thin samples. These results showed that the value of n2 obtained is about 36% larger than n2 obtained by Sheik-Bahae when the linear opening is 50%, for example.Extensions about the technique were made. Simulations were performed in order to test the feasibility of near-field Z-scan and two-color Z-scan measurements. Again it was also possible to find unpublished analytical results. The theoretical results were tested in some experiments and good agreement was found. Finally, a new method for measuring the nondegenerate refractive index was proposed. So, there is the possibility to obtain n2 at the wavelength of the probe beam in a two-color Z-scan experiment. This result is important since in many cases is impossible to perform a conventional z-scan measurement, due to the fact that the sample does not absorb the wavelength of the probe beam. A result of n2 for ruby at 633nm was obtained in good agreement with previous studies.

Estudamos o efeito de Conjugação de Fase por Mistura Degenenerada de Quatro Ondas em Al2O3:Cr+3 (Rubi) e GdAlO3:Cr+3 com um laser de Ar (λ=5145 Å). Obtivemos eficiência aproximadamente quatro vezes maior no GdAlO3:Cr+3 (onde este trabalho é original) que no Rubi o que nos motivou a investigar as propriedades físicas que são relevantes para o fenômeno nestes sistemas (isto não foi bem compreendido no trabalho anterior em Rubi). Desenvolvemos um método interferométrico muito sensível para medida dos coeficientes não lineares do índice de refração n2 destes materiais (que não eram conhecidos) Com estes valores de n2 calculamos a eficiência de Conjugação de Fase em bom acordo com experiência. / We have studied the effect of Phase Conjugation by Degenerate Four Wave Mixing in Al2O3:Cr+3 (Rubi) and GdAlO3:Cr+3 with an Ar (λ=5145 Å). We obtained efficiency ?approximately? 4 times greater in GdAlO3:Cr+3 (where this work is original) than in Rubi and this have motivated us to investigate the physical properties that are important to explain this phenomenon in these materials (what wasn\'t well understood in the previous paper on Rubi(10)). We developed an interferometric method very sensitive to measure the nonlinear coeficient of refractive index n2 of these materials (what wasn\'t known). With these values of n2 we calculated the efficiency of the Phase Conjugation in good agreement with the experience.

Nesta tese estudamos a dinâmica das não linearidades ópticas em compostos orgânicos, mais especificamente em amostras de bis-ftalocianina de itérbio, derivados do álcool furfurílico e compostos azo-aromáticos. Para que a dinâmica dos processos ópticos não lineares pudesse ser investigada nesses materiais, desenvolvemos uma extensão experimental à técnica de varredura-Z convencional, denominada de varredura-Z com trem de pulsos. Nesta técnica, o trem de pulsos de um laser Q-switched/mode-locked é convenientemente empregado para o estudo da dinâmica de processos não lineares no intervalo de 10 a 1000 ns, permitindo a discriminação entre não linearidades rápidas e processos lentos ou acumulativos. Os resultados obtidos através desta técnica nos diversos materiais estudados, complementados com medidas ópticas lineares, tornaram possível a determinação da origem dos processos não lineares refrativos e absorcivos, permitindo também a determinação dos parâmetros espectroscópicos do estado excitado. / This work reports the dynamic nonlinear optical properties of organic compounds, namely, ytterbium bis-phthalocyanine, furfuryl alcohol derivatives and azo-aromatic compounds. In order to carry out this investigation we developed an experimental extension to the standard Z-scan technique, named Z-scan with pulse trains. In this method, pulse trains contained in Q-switched/mode-locked lasers can be advantageously used to study dynamic optical nonlinearities in the 10-1000 ns time interval, allowing the discrimination between fast and slow (cumulative) nonlinear effects. The results obtained in the compounds studied with this technique, complemented with linear optical measurements, permitted the nonlinear refraction and absorption origin to be determined, allowing the characterization of excited state spectroscopic parameters.