As the boundaries of Moore's Law rapidly approach, research is increasingly turning to exotic materials and metamaterials to advance the capabilities of electronic and micromechanical systems. This thesis presents systems, models, and simulation techniques for novel microfabrication in the realms of silicon carbide (SiC) and metal mesh filters. Through the unification of femtosecond laser pulses, high numerical aperture (NA) objective lenses, and system power and motion control, a system capable of achieving arbitrary 3D features without line-of-sight with aspect ratios up to 109:1 in SiC is developed. Additionally, a model of a direct-write femtosecond-laser-ablation fabricated metal mesh filter (MMF) is simulated in ANSYS High Frequency Structure Simulator (HFSS) and validates the novel fabrication technique. Finally, a transmission-line-theory based MMF model is presented as an alternative to modelling multilayer filters in HFSS. This model produces comparable results to an HFSS simulation with dramatically reduced computational intensity.

Les groupes protecteurs photolabile (GPP) ont été largement utilisés en synthèse organique et pour des applications biologiques. Parmi la grande diversité de ces groupes, les groupement o-nitrobenzyl sont les plus utilisés. En particulier, ils ont été abondamment employés dans la préparation de nombreux précurseurs photolabiles d’effecteurs biologiques. Ce qui permet d’utiliser une réaction photochimique afin de transformer un composé biologiquement inerte en composé actif avec formation d’un sous-produit de photolyse. Afin de pouvoir quantifier le saut de concentration de l’effecteur biologique en particulier sur des cellules, nous avons développé des nouveaux GPP dérivés d’o-nitrobenzyle, qui libère un sous-produit de photolyse présentant des propriétés de fluorescence. Ainsi en nous basant sur le mécanisme de photolyse de dérivés o-nitrobenzyl sensible à l’excitation bi-photonique, nous avons pu concevoir un GPP non-fluorescent qui libère un fluorophore après photoclivage. Les propriétés de fluorescence du sous-produit de photolyse ont également été optimisées. Enfin à l’aide de ces PPG pro-fluorescent nous avons pu valider que la réaction photolytique peut être suivie par microscopie de fluorescence sur des cellules en culture. / Photoremovable Protecting Groups (PPG) have been widely used in organic synthesis and in various biological applications. Among the wide diversity of these groups, o-nitrobenzyl groups are the mostly used chromophores. In particular, they have been extensively used for the design of caged compounds. Those latter type of compounds are able to release a biological effector together with an uncaging side-product leading to the spatiotemporal control of various biological processes. In order to acutely monitor the uncaging event for example in cells, we developed new PPGs, based on o-nitrobenzylderivatives, able to release a fluorescent side product. Based on the photolytical mechanism of two-photon sensitive o-nitrobenzyl PPGs, we were able to design new non-fluorescent PPGs able to release fluorophores as side products. We were also able to tune the fluorescent properties of the photo-released by product using molecular engineering. Finally, those pro-fluorescent PPGs have been used in order to follow the uncaging events by fluorescent microscopy on cell cultures.

Este trabalho teve como objetivo a montagem de um sistema de otimização de pulsos ultracurtos (oscilador laser modelocked de 15 fs), através de uma técnica de formatação de pulsos via absorção de dois fótons em compostos orgânicos. Está técnica utiliza uma estratégia evolucionária baseada em um algoritmo genético, onde se controla o formato do pulso pela deformação imposta a um espelho deformável, conjuntamente com o monitoramento de um sinal de realimentação. Desta forma, este sistema permite tanto a otimização do processo de absorção de dois fótons, quanto a otimização do próprio pulso do sistema laser. Após a montagem inicial do sistema de formatação de pulsos, foram implementados três métodos de otimização via monitoramento do processo de absorção de dois fótons, sendo que dois deles foram desenvolvidos nesta dissertação. Os métodos diferem entre si pelo emprego de distintos sinais de realimentação para o processo de otimização: (i) intensidade da fluorescência excitada por dois fótons; (ii) variação da transmitância não linear dos compostos orgânicos devido à absorção de dois fótons; e (iii) intensidade do efeito de lente térmica apresentada pelos compostos orgânicos após a absorção de dois fótons. Os três métodos de otimização apresentaram resultados similares e satisfatórios, aproximando a largura temporal do pulso ao final do processo de otimização da largura temporal dada pelo limite da transformada de Fourier, medidas através de técnicas de autocorrelação. Estes resultados apontam para a validade do uso dos métodos por nós desenvolvidos como alternativas para processos de otimização de pulsos ultracurtos. / In this work it is described the implementation of an ultrashort pulse optimization system (15 fs modelocked oscillator) that employs pulse shaping methods via two-photon absorption in organic materials. This technique uses an evolutionary strategy based on a Genetic Algorithm, where the pulse shape is controlled by a deformable mirror, while a feedback signal is monitored. In this way, this system allows both, the two-photon absorption process and pulse optimization. After the accomplishment of the pulse shaping system, we have implemented three distinct optimization methods via two-photon absorption monitoring, being two of them proposed in the present dissertation. These three methods differs from each other by the use of different feedback signals for the optimization process: (i) intensity of the two-photon excited fluorescence; (ii) nonlinear transmittance change in organic compounds due to the two-photon absorption; and (iii) intensity of the thermal lens effect. All optimization methods presented similar and satisfactory results, leading the ultrashort pulse, in the end of the optimization process, close to the Fourier transformed limit. In such cases, the pulse duration were determined through the autocorrelation technique. These results indicates that the new methods proposed here can be used as an alternative for both, pulse optimization and control of two-photon absorption process, specially for nonfluorescent samples.

Nos últimos anos, a busca por materiais com altas não linearidades ópticas tem crescido rapidamente devido as suas potencias aplicações em diversas áreas das ciências, que vão de biologia até fotônica. O processo de absorção de dois fótons, por exemplo, têm sido usado em limitação óptica, micro-fabricação tridimensional, armazenamento óptico e microscopia por fluorescência. Neste trabalho, investigamos o processo de absorção de dois fótons em moléculas orgânicas e organometálicas, buscando colaborar com os esforços que vêm sendo feitos para aprofundar a compreensão dos aspectos envolvidos na absorção não linear. Os espectros de absorção de dois fótons de derivados de perilenos tetracarboxílicos, derivados de fenil-bifenilamina e complexos acetilados de platina foram determinados através da técnica de Varredura Z com pulsos ultracurtos. Para os derivados de perilenos, utilizando a técnica de Varredura Z com luz branca, observamos sutis estruturas no espectro não linear, as quais estão relacionadas a estados permitidos por dois fótons na região do ultra-violeta. A existência de tais estados foi confirmada através de cálculos usando teoria do funcional da densidade. O espectro de absorção de dois fótons para os complexos acetilados de platina apresentam bandas em torno de 600 nm, com seções de choque relativamente altas, da ordem de 640 GM. A ampla janela de transparência desses compostos na região do visível os torna interessantes candidatos para dispositivos de limitação óptica assistida por dois fótons. Por fim, as amostras da família fenil-bifenilamina mostraram uma combinação entre os efeitos não lineares do grupo fenil-bifenilamina e do grupo azoaromático, a qual pode ser explorada em dispositivos de armazenamento óptico tri-dimensional. / In the last few years, the design and characterization of novel materials exhibiting high optical nonlinearities is the subject of a fast-growing interest because of their potential application in various fields, from biology to photonics. Two-photon absorption processes, for example, have been used for optical limiting, three-dimensional microfabrication, optical data storage and fluorescence imaging. In this work we investigate the two-photon absorption in organic and organometallic molecules, aiming at the understanding of aspects related to the nonlinear absorption. The two-photon absorption spectra of perylene derivatives, phenyl-diphenylamine derivatives and Platinum Acetylide Complexes were measured using the Z-scan technique with ultrashort pulses. For perylene derivatives, using the white-light continuum Z-scan, we were able to observe subtle structures in nonlinear spectra, which are related to two-photon allowed states in the UV region. Such transitions were confirmed using density functional theory. The two-photon absorption spectrum of Pt-acetylene complexes revealed bands around 600 nm, with relatively high two-photon absorption cross-section in the order of 1000 GM. The broad transparence windows exhibited by these compounds in the visible make them promising candidates for optical limiting devices assisted by two-photon absorption. Finally, the phenyl-biphenylamine samples exhibited a combination between effects from the phenyl-biphenylamine group and the azoaromatic groups, which can be explored in tri-dimensional optical storage devices.

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.

Microestruturas poliméricas dopadas despertam grande interesse nas áreas de óptica, fotônica e biologia, pois viabilizam a produção de dispositivos com propriedades específicas. Contudo, a dopagem de microestruturas com mais de um dopante é pouco explorada na literatura. Nesse contexto, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de uma metodologia para fabricar microestruturas poliméricas com múltiplas dopagens, através de fotopolimerização por absorção de dois fótons. Esta técnica de microfabricação faz uso de um feixe laser pulsado (Ti:safira, 780 nm, 100 fs) que é focalizado, através de lentes de microscópio, no volume de uma resina polimérica contendo fotoiniciador composto orgânico responsável por iniciar o processo de polimerização. A intensidade dos pulsos de femtossegundos é alta o bastante para que processos não lineares absorcivos, nesse caso absorção de dois fótons, ocorram apenas no volume focal, induzindo a polimerização apenas ao seu redor. Como dopantes utilizamos os corantes fluorescentes Rodamina e Fluoresceína. Para averiguar a eficácia do sistema de fabricação desenvolvido, produzimos estruturas com apenas um dopante, e as caracterizamos utilizando microscopia óptica e eletrônica. Microestruturas contendo mais de um dopante, em regiões distintas, foram produzidas através da fabricação sequencial de estruturas dopadas. Essa metodologia permite a produção de estruturas com dupla dopagem, as quais apresentam boa integridade estrutural e preservam as propriedades ópticas dos dopantes. Por fim, visando aplicações em biologia, empregamos a metodologia desenvolvida para fabricar microambientes dopados, em sítios específicos, com o antibiótico cloridrato de ciprofloxacino. Estudos iniciais do desenvolvimento da bactéria Escherichia coli nestes microambientes foram feitos, com o objetivo de demonstrar a viabilidade para este tipo de aplicação. / Doped microstructures have attracted interest in optics, photonics and biology, because they allow the production of devices with specific proprieties. However, doping microstructures with more than one dopant is not much exploited in the literature. In this work we demonstrate the development of a method to fabricate multi-doped microstructures by two-photon absorption polymerization. For the microfabrication we used a femtosecond laser (Ti:sapphire laser, 780 nm, 100 fs) that is focused, by a microscope objective, in the volume of a polymeric resin containing a photoinitiator organic compound responsible to initiate the polymerization. The intensity of the femtosecond pulses is high enough to induced two-photon absorption, and consequently polymerization, only around the focal volume. As dopants we employed the fluorescent dyes Rhodamine and Fluorescein. In order to verify the microfabrication system, we have initially fabricated microstructures with only one dopant, which were characterized using optical and electron microscopies. Microstructures containing more than one dopant, in distinct regions, were produced by sequential fabrication of single doped structures. Such method allowed the fabrication of double doped structures, which presents good structural integrity and maintain the characteristic optical properties of the dyes. Finally, aiming at biological applications, we employed the developed method to fabricate micro-environments doped, in specific sites, with the antibiotics ciprofloxacin hydrochloride. Initial studies on the growth of the bacterium Escherichia coli, on such microstructures, were carried out to demonstrate the feasibility for such type of application.

Este trabalho demonstra o uso da fotopolimerização via absorção de dois fótons na produção de microestruturas dopadas com compostos orgânicos e nanopartículas de Au. A capacidade de produção de microestruturas com propriedades variadas é extremamente relevante, pois viabiliza o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos ópticos. Além disso, realizamos a conexão entre as microestruturas fabricadas e fontes de excitação, por meio de nanofibras de vidro. A integração entre essas estruturas, e destas com meios externos de excitação e detecção, é um passo essencial para o desenvolvimento de microcircuitos fotônicos, que podem representar uma nova revolução tecnológica, a exemplo do que foram os microcircuitos eletrônicos. Exploramos as possibilidades de dopagem da resina usando: (i) um composto fluorescente, (ii) um composto com birrefringência fotoinduzida e (iii) nanopartículas de ouro. Microestruturas contendo Rodamina B apresentaram boa integridade estrutural e fluorescência, tendo sido usadas para demonstrar a conexão dos microelementos com meios externos de excitação. Através de nanofibras e de micromanipuladores, comprovamos a capacidade de excitação seletiva de microestruturas através do guiamento da luz de um laser de Ar+. Estruturas birrefringentes foram obtidas pela dopagem com o azopolímero HEMA-DR13. Montamos um aparato que permite a observação da dinâmica de indução de birrefringência nas microestruturas, o qual representa um grande passo na caracterização deste tipo de microelementos. Com base nesse estudo, foi possível alcançar uma fração de birrefringência residual nas microestruturas de 35%. Por fim, propomos um método para a dopagem de microestruturas poliméricas com nanopartículas de ouro. Por se tratar de um método de dopagem indireta, ele evita interferências das nanopartículas no processo de microfabricação. Dessa forma, este trabalho abre possibilidades para a fabricação de microdispositivos funcionais com diversas propriedades especiais, bem como a integração desses microdispositivos em circuitos fotônicos. / This work demonstrates the use of two-photon photopolymerization in the fabrication of microstructures doped with organic compounds and gold nanoparticles. The ability to produce microstructures with different properties is extremely relevant, because it opens the possibility for the development of a new generation of optical devices. Besides, we have accomplished the connection between fabricated microstructures and excitation sources by means of silica nanowires. The connection among structures and with external means of detection and excitation is an essential step towards the development of new technological breakthrough in photonic microcircuits. We have explored the resin doping possibilities by using: (i) a fluorescent compound, (ii) a photoinduced birefringent compound and (iii) gold nanoparticles. Rhodamine B doped microstructures present good structural integrity and fluorescence, and were able to demonstrate the connection of microelements with external means of excitation. Through the use of nanofiber tapers and micromanipulators, we have shown the selective excitation capability of this method by guiding Ar+ laser light onto one single microstructure. Birefringent samples were obtained by doping the resin with the azopolymer HEMA-DR13. We have assembled an apparatus that allows observing the photoinduced birefringence dynamics, which represents a great step towards a better characterization of these kinds of microelements. Based on this study we were able to achieve a residual birefringence fraction of 35% in microscopic samples. Finally, we have proposed a new method for the doping of polymeric microstructures with gold nanoparticles. Because it is an indirect doping technique, it prevents gold nanoparticles from interfering with the microfabrication process. Thus, the work presented here paves the way for the fabrication of functional microdevices with a wide range of special properties, as well as for the connection of these microstructures for photonic microcircuit.

High two-photon absorption (2PA) cross-section materials have been frequently studied during the latest years due to the wide variety of technological applications, such as two-photon absorption microscopy (2PM) and microfabrication. The characterization of new materials with high nonlinearities is, therefore, indispensable to develop new applications and improve previously existing ones. Here, three different groups of novel organic compounds had their nonlinearities characterized through two-photon absorption measurements: fluorenone based compounds, which are usually used in two-photon absorption microscopy; BF2-naphthyridine (BODIPY) complexes, which have a wide range of applications, from solar cells to photodynamic therapy; and binaphthalene-based polymers, with structures built to generate large nonlinearities through inherent chirality. All compounds had their two-photon absorption spectra studied through absorptive Z-Scan, with density functional theory (DFT) calculations made to interpret the results for the first two groups of compounds, and polarization controlled measurements made for the polymers. The highest 2PA cross-section presented by the fluorenone-based compounds was of 224 GM at 710 nm, large and within the wavelength range for 2PM applications; for the BODIPYs, the largest observed cross-section was of 268 GM at 990 nm, of the same order of magnitude of more complex compounds; and 680 GM at 1100 nm for the polymer, showing a high cross-section as expected from its structure. The desired applications for the studied molecules were shown valid, and their characterization gave a better understanding of how to increase their nonlinearities depending on the compound manufacture. / Materiais com grande seção de choque de absorção de dois fótons (2PA) tem sido estudados com frequência nos últimos anos graças a ampla variedade de aplicações tecnológicas, tais como microscopia por absorção de dois fótons (2PM) e microfabricação. A caracterização de materiais com altas não-linearidades é, portanto, indispensável para o desenvolvimento de novas aplicações e para o aprimoramento das técnicas já existentes. Aqui, três diferentes grupos de novos compostos orgânicos tiveram suas não-linearidades caracterizadas através de medidas de 2PA: compostos baseados em fluorenona, geralmente utilizados em 2PM; compostos baseados em BF2-naftiridina (BODIPY), que possuem grande variedade de aplicações, desde células solares até terapia fotodinâmica; e polímeros baseados em binaftaleno, com estruturas sintetizadas para gerar altas não-linearidades através de sua quiralidade inerente. Para caracterizar o espectro de 2PA de todos os compostos a técnica de Z-Scan absortiva foi utilizada, com cálculos de funcional densidade (DFT) realizados para corroborar os resultados obtidos para os dois primeiros grupos de compostos, e medidas com controle de polarização foram realizados para o estudo dos polímeros. A maior seção de choque obtida para as fluorenonas foi de 224 GM em 710 nm, alta e dentro do comprimento de onda necessário para as aplicações de 2PM; para os BODIPYs, a maior seção de choque observada foi de 268 GM em 990 nm, da mesma ordem de magnitude que compostos mais complexos que os estudados; e 680 GM em 1100 nm para o polímero, mostrando um valor alto como esperado por sua estrutura. Com isso, demonstramos que as moléculas estudadas possuem as aplicações desejadas, e sua caracterização permitiu uma melhor compreensão de como aumentar suas não-linearidades dependendo da engenharia dos compostos.

Time-dependent density functional theory calculations have been carried out to determine the complex first-order hyperpolarizability in the two-photon resonance region of the molecule IDS-Cab. Calculations show that three strongly absorbing states, in the ultraviolet region, are separated to the extent that no significant interference of the imaginary parts of the tensor elements of the first-order hyper-polarizability occurs. Consequently, and in contrast to experimental findings [27], no reduced imaginary parts of the first-order hyperpolarizability in the two-photon resonant region can be seen.

<p>Time-dependent density functional theory calculations have been carried out to determine the complex first-order hyperpolarizability in the two-photon resonance region of the molecule IDS-Cab. Calculations show that three strongly absorbing states, in the ultraviolet region, are separated to the extent that no significant interference of the imaginary parts of the tensor elements of the first-order hyper-polarizability occurs. Consequently, and in contrast to experimental findings [27], no reduced imaginary parts of the first-order hyperpolarizability in the two-photon resonant region can be seen.</p>