A aterosclerose, doença sistêmica caracterizada pelo acúmulo de lipídios e elementos fibrosos nas artérias, é uma das principais causas de morte em diversos países. Partículas de lipoproteínas de baixa densidade (LDL) oxidadas estão presentes nas lesões aterogênicas, evidenciando a correlação entre estas partículas e a doença aterosclerótica. Este trabalho apresenta estudos de caracterização óptica e estrutural de lipoproteínas humanas nativas e oxidadas in vitro. As caracterizações foram realizadas por meio de diversas técnicas, sendo as principais a Varredura-Z e o espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS) . Nos estudos de caracterização óptica verificou-se que a resposta não-linear das amostras de LDL está relacionada tanto com o seu conteúdo de antioxidantes, quanto com sua concentração de hidroperóxidos. Com relação à caracterização estrutural, foi proposto um novo método de análise para os dados de SAXS. Neste método, que mostrou-se mais adequando frente àqueles existentes na literatura, a curva de contraste de densidade eletrônica é obtida diretamente da curva de intensidade de espalhamento. Por meio das análises realizadas concluímos que as partículas de LDL apresentam pequenas alterações estruturais apenas quando comparamos a amostra nativa com aquela oxidada por 18 horas. São apresentados ainda alguns resultados exploratórios obtidos, tanto na caracterização óptica quanto na estrutural, para as lipoproteínas de alta densidade (HDL), que apontam para uma maior resistência deste tipo de lipoproteína ao processo oxidação. Por fim, é possível afirmar que a técnica de Varredura-Z é sensível a mudanças que ocorrem no início do processo oxidativo das lipoproteínas, enquanto a técnica de SAXS é sensível a mudanças em estágios mais avançados do mesmo processo. / Atherosclerosis, which is a systemic disease characterized by the accumulation of lipids and fibrous elements in the arteries, is a major cause of death in many countries. Particles of oxidized low density lipoproteins (LDL) are present in atherogenic lesions, showing the correlation between these particles and atherosclerosis. This thesis presents studies of structural and optical characterization of native and in vitro oxidized human lipoproteins. Characterizations were carried out by means of various techniques, the main ones being Z-scan (ZS) and small angle X-ray scattering (SAXS). In the optical characterization studies it was found that the non-linear response of LDL samples is associated with their antioxidant contents and with their concentration of hydroperoxides. With respect to the structural characterization, we propose a new method of analysis for the SAXS data. In this method, which is more suitable than those existing in the literature, the electron density curve is obtained directly from the scattering intensity curve. Through these analyses we conclude that LDL particles exhibit only small structural changes when native LDL sample is compared to the $18$ hours oxidized one. We also present preliminary results, both in structure and in optical characterization, for the high density lipoprotein (HDL), which presents a greater resistance (comparing to LDL) to the oxidation process. Finally, it is possible to say that the ZS technique is sensitive to changes that occur in early stages of the lipoprotein\'s oxidative process, while the SAXS technique is sensitive to changes in the later stages of the same process.

Nanofluidos magnéticos formados por partículas de ferrite de manganês eletricamente carregadas foram estudados sob o ponto de vista estrutural, magnético e óptico. Características estruturais foram analisadas por meio da técnica de espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS), que permitiu a determinação da distribuição de diâmetros de nanopartículas em solução. Assim, foi possível determinar o comportamento lognormal da distribuição de tamanhos nas amostras, bem como o diâmetro médio das soluções estudadas, Mn3, Mn4 e Mn6, como 2.8nm, 3.4nm e 6.2nm, respectivamente. Ademais, foi investigada a magnetização das diferentes soluções em função da temperatura sob o protocolo ZFC/FC, permitindo a determinação da distribuição de temperaturas de bloqueio, grandeza que depende do volume das partículas. Ao comparar as distribuições obtidas, foi constatado que aquela determinada por medidas magnéticas era mais estreita do que a por SAXS, indicando interações dipolares entre partículas. Essa hipótese foi corroborada por medidas de suscetibilidade ac, que resultaram em tempos de relaxação muito curtos, incompatíveis com modelos de partículas únicas, levando à conclusão da existência de um comprimento de correlação com N partículas interagindo no volume de correlação 3. Tais grupos de partículas não correspondem a aglomerados físicos, uma vez que alterações de densidade eletrônica não foram verificadas nas curvas de espalhamento de raios X, mas sim a clusters magnéticos, que respondem ao campo externo em conjunto. A análise dos resultados de magnetização ac e dc, simultaneamente, evidenciou ainda alterações na anisotropia das partículas, efeitos de superfície devido à redução de tamanho do cristal. O estudo de propriedades ópticas lineares permitiu a determinação do espectro de absorção em função da concentração de nanopartículas em solução. Desse modo, foi verificada a validade da lei de Beer-Lambert em uma região do espectro, para 300nm < < 600nm. O gap óptico foi determinado para as transições diretas e indiretas como EgapDir = 3.07 ± 0.15eV e EgapInd = 2.06 ± 0.11eV, respectivamente. Por fim, propriedades ópticas não lineares foram estudadas por meio da técnica de z-scan na escala de femto-segundo, a fim de estudar efeitos de origem eletrônica. Curvas foram obtidas e, por meio de ajustes de equações teóricas, foi possível a determinação dos parâmetros não lineares. Contudo, estudos adicionais evidenciaram que tais sinais não eram de origem eletrônica, mas sim térmica, como formação de lente térmica e termodifusão. Assim, os coeficientes não lineares dos ferrofluidos não puderam ser determinados com precisão, de maneira que apenas valores máximos desses coeficientes foram obtidos independentemente do tamanho das nanopartículas, sendo max = 3.9x10-2cm/GW o valor máximo para o coeficiente de absorção de dois fótons e |n2max| = 5.3x10-16cm2/W, para o índice de refração não linear. / Magnetic nanofluids formed by electrically charged manganese ferrite particles were studied under the structural, magnetic and optical point of view. Structural characteristics were analyzed by small angle X-rays scattering (SAXS) technique, which allowed determining the nanoparticles\' size distribution. Thus, it was possible to determine the lognormal behavior of the size distribution, as well as the particles\' mean diameter of the studied solutions, Mn3, Mn4 and Mn6, as 2.8nm, 3.4nm and 6.2nm, respectively. Also, the magnetization of the different solutions was investigated as a function of the temperature under the ZFC/FC protocol, allowing the determination of the blocking temperature distribution, quantity that depends on the nanoparticles\' volume. Comparing the distributions obtained it was noted that the obtained by magnetic measurements was narrower than the one obtained by SAXS, which indicates dipolar interactions between nanoparticles. This hypothesis was supported by ac susceptibility measurements, which resulted in very short relaxation times, incompatible with single particles models, leading to the conclusion of the existence of a correlation length with N interaction particles in the correlation volume 3. Those particles groups do not correspond to physical clusters, since electron density changes were not observed in X-rays scattering curves, but to magnetic clusters that responds collectively to the external field. The simultaneous analysis of ac and dc magnetization results showed changes in the anisotropy of the particles, surface effects due to reduction of crystal size. The study of linear optical properties allowed the determination of the absorption spectrum as a function of the nanoparticles\' concentration in solution. Thus, the validity of the Beer-Lambert law was verified for the wavelength range 300nm < < 600nm was determined for direct and indirect transitions as EgapDir = 3.07 ± 0.15eV and EgapInd = 2.06 ± 0.11eV, respectively. Finally, nonlinear optical properties were studied by the z-scan technique in the femto-second time scale. Curves were obtained and, by means of theoretical equations adjustments to the data, it was possible to determine nonlinear parameters. However, additional studies have shown that such effects were not of electronic origin, but thermal, as thermal lens and thermodiffusion. Thus, the nonlinear coefficient of ferrofluids could not be determined accurately, only maximum values of these coefficients were obtained regardless of the size of the nanoparticles, as max = 3.9x10-2cm/GW the maximum value of the two photon absorption coefficient and |n2max| = 5.3x10-16cm2/W for the nonlinear refraction index.

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.

Neste trabalho, estudamos alguns colóides magnéticos dos tipos iônico e surfactado com partículas de estrutura tipo espinélio. Usamos a técnica de varredura-Z para investigar as amostras nas escalas de tempo de femtossegundos e milissegundos. Medimos o índice de refração não-linear nas duas escalas de tempo. Na escala de milissegundos todas as amostras apresentaram comportamento tipo lente divergente, e os valores obtidos são da ordem de 10^(-7) cm^2/W. Na escala de femtossegundos, as amostras iônicas apresentaram comportamento tipo lente convergente, com valores típicos do índice de refração não-linear da ordem de 10^(11) cm^2/W. Também medimos a absorção não-linear na escala de tempo de femtossegundos. Os valores obtidos são da ordem de 10^2 cm/GW. Com os dados obtidos na escala de femtossegundos calculamos a susceptibilidade elétrica de terceira ordem (chi(3)). O módulo de chi(3) encontrado é da ordem de 10^(-17) m^2/V^2 (ou 10^(-9) esu). Obtivemos evidências experimentais da contribuição da susceptibilidade elétrica de quinta-ordem nas medidas de absorção não-linear. Verificamos a presença do efeito de tamanho das partículas no valor de chi(3) ao estudar partículas de mesma composição e de diâmetros diferentes. / In this work, we studied some magnetic colloids of kind ionic and surfacted with particles of spinel struture. We used the Z-Scan technique to investigate the samples in the time scales of femto- and milliseconds. We measured the nonlinear refractive index in both time scales. In the scale of milliseconds all samples showed divergent-lens-type behavior, and the obtained values are of order of 10^(-7) cm^2/W. In the femtoseconds scale, the ionic-type samples have convergent-lens-type behavior, with the typical values of order of 10^(11) cm^2/W. Also we measured the nonlinear absorption in the femtoseconds time scale. The obtained values are of order of 10^2 cm/GW. With the data obtained in the femtoseconds time scale we calculated the third-order electric susceptibilities (chi(3)). The found modulus of chi(3) is of order of 10^(-17) m^2/V^2 (or 10^(-9) esu). We obtained experimental evidences that fifth-order electric susceptibilities can contribute to the measurements of nonlinear absorption. We observed the dependence of particles\' size effect in the values of chi(3) in the studies of particles of the same composition and different diameters.

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.

A utilização de laser para estudo, análise e caracterização de materiais é de imensa importância no desenvolvimento e progresso da ciência e tecnologia, melhorando ciclicamente a área de ótica não linear (ONL). Estudos do comportamento de compostos orgânicos cujas estruturas são &pi; conjugadas mostram sua ampla aplicabilidade em dispositivos eletrônicos e na área medicinal. A adição de grupos laterias doadores ou aceitadores de elétrons têm a capacidade de aumentar os efeitos ópticos não lineares nestes compostos, otimizando suas propriedades. Nesta dissertação de mestrado, foram realizados estudos em compostos orgânicos focados em suas características ópticas não lineares. Nove derivados de chalconas e quatro derivados de azometinas foram analisadas através da técnica de espalhamento hiper-Rayleigh (HRS) e da técnica de varredura-z, cujos efeitos óticos não lineares observados correspondem à segunda e terceira ordem da polarizabilidade, respectivamente. Com o espalhamento hiper-Rayleigh, foram determinadas a primeira hiperpolarizabilidade &beta;HRS cujo valor mais alto foi 24×10&minus;30 cm5/esu para as chalconas e 273×10&minus;30 cm5/esu para as azometinas. A técnica de varredura-z foi utilizada para determinar o espectro da seção de choque de absorção de dois fótons (&sigma;2PA) cujos valores de pico das moléculas derivadas de chalconas são de aproximadamente 15 GM e algumas apresentaram estados excitados que são permitidos apenas por absorção de dois fótons. Duas das moléculas derivadas de azometinas apresentaram valores de pico da ordem de 12 GM, uma não apresentou absorção de dois fótons e uma apresentou valor de pico de 55 GM. Além disso, foi utilizado o método de Soma-Sobre-Estados (SOS - do inglês Sum-Over-States) para determinar os momentos de dipolo de transição e diferença de momentos de dipolo permanente de todos os derivados. / The use of lasers for study, analyses and characterization of materials are of great importance for progress and development of science and technology, improving in a cyclic way the nonlinear optics area (NLO). Studies of the behave of &pi;-conjugated organic compounds show its wide applicability in electronic devices and in the medicinal area. Adding electron donor or acceptor lateral groups to these compounds may alter its nonlinear optical effects, optimizing its properties. In this Master dissertation, studies on organic compounds focused in its nonlinear optical characteristics were realized. Nine chalcone derivatives and four azomethines derivatives were analyzed using the Hyper-Rayleigh Scattering technique (HRS) and Z-Scan technique, by which the nonlinear optical effects observed corresponds to the second and third order of the polarizabilities, respectively. With the HRS the first hyperpolarizability &beta;HRS was determined, which the highest values was of 24×10&minus;30 cm5/esu for the chalcones, and 273×10&minus;30 cm5/esu for the azomethines. The Z-Scan technique was utilized for determining the two-photon cross-section &sigma;2PA which peak values of the chalcone derivatives were of approximately 15 GM and some of them presented excited states that are only allowed by two-photon absorption. Two of the azomethines derivatives molecules presented peak values of the order of 12 GM, one of them did not present two-photon absorption, and one presented peak value of 55 GM. Furthermore, the Sum-Over-States (SOS) method was used to determine the transition dipole momentums and the difference of permanent dipole momentum of all of the derivatives.

Nesse doutorado desenvolvemos um método para aumentar a precisão e sensibilidade das medidas de rotação não linear da polarização elíptica, RNLPE, usando um polarizador girante como analisador e um amplificador lock-in de fase dupla. Medidas de RNLPE são úteis na determinação da magnitude e sinal do índice de refração não linear, n2. Por se tratar de uma nova metodologia, confrontamos nossos resultados com resultados obtidos por varredura-Z, um método bem estabelecido e amplamente utilizado na determinação de n2. Com essa finalidade realizamos medidas de RNLPE e de varredura-Z em amostras com não linearidade eletrônica não ressonante, na condição de feixe fracamente focalizado. Os resultados obtidos comprovaram a equivalência entre as duas técnicas em termos de sensibilidade, precisão e simplicidade. Propusemos ainda uma configuração na qual múltiplas amostras são medidas simultaneamente em uma única varredura, condição de feixe fortemente focalizado. Esse método autorreferenciado permite melhor comparação entre os materiais já que o sinal de uma referência e da amostra em estudo são obtidos simultaneamente, sob as mesmas condições experimentais, além de permitir uma investigacão das não linearidades locais. Uma vez comprovado o potencial das medidas de RNLPE na condição de focalização forte passamos a estudar a contribuição de não linearidades não instantâneas pela medida de n2 em função da duração do pulso. Variando a duração do pulso estudamos não linearidades em amostras líquidas que possuem além da contribuição de efeito instantâneo eletrônico, efeitos nucleares não instantâneos como os de origem reorientacional lento. Um modelo empírico da dependência da não linearidade em função da duração do pulso foi proposto para explicar os resultados obtidos, no qual foi possível diferenciar as não linearidades instantâneas das não instantâneas e atribuir à última um tempo de resposta. / In this work we have developed a method to increase accuracy and sensitivity of the nonlinear rotation of elliptical polarization measurements by NER using a rotating polarizer as an analyzer and a dual-phase lock-in amplifier. NER measurements are useful in determining the magnitude and signal of the nonlinear refractive index, n2, of different materials. Because this is a new methodology, we compared our results with those obtained by Z-scan, a well-established and widely used method in determining n2. For this purpose we performed NER and Z-scan measurements on samples with pure non-resonant electronic nonlinearity, at weakly focused beam condition. The results obtained have shown the equivalence between both techniques in terms of sensitivity, precision and simplicity. We also proposed a configuration in which multiple samples are measured simultaneously in a single scan, at strongly focused beam condition. This self-referenced method allows better comparison between the materials since the signal of a reference and the sample under study are obtained simultaneously, under the same experimental conditions, besides allowing measuring the local nonlinearities. Once we verified the potential of NER measurements in the tightly focused condition we proceeded to study the contribution of non-instantaneous nonlinearities by measuring n2 as a function of the pulse duration. By varying the pulse duration we studied nonlinearities in liquid samples that have, besides the contribution of electronic instantaneous effect, contribution of non-instantaneous nuclear effects of slow orientational origin. An empirical model of the dependence of nonlinearity as a function of pulse duration was proposed to explain the results obtained, in which instantaneous nonlinearities and non-instantaneous nonlinearities could be discriminate and a response time to the latter could be assigned.

Nesta dissertação, propomos um método que combina a técnica de varredura-Z e a luz branca supercontínua gerada em uma fibra fotônica para caracterizar o espectro de não-linearidades de amostras. O espectro não-linear fornece informações cruciais a respeito da característica, da origem e do potencial da não-linearidade para aplicação em dispositivos. Neste sentido, a luz branca supercontínua aliada à técnica de varredura-Z vem permitir uma rápida determinação de espectros numa banda larga. Neste trabalho, a luz branca foi gerada numa fibra fotônica comercial bombeada por pulsos de femtossegundo de um oscilador laser de Ti:safira. Tanto os lasers de femtosegundo quanto as fibras fotônicas estão se tornando cada vez mais acessíveis. Ademais, a técnica de varredura-Z é um método bastante conhecido para a determinação de não-linearidades devido à sua simplicidade e precisão. Dessa forma, aliamos essas vantagens para fazer um aparato simples, compacto e de baixo custo. Em geral, a determinação do espectro de não-linearidades necessita de sistemas lasers complexos que possam sintonizar o comprimento de onda. O método de varredura-Z de luz branca desenvolvido aqui foi usado para medir o espectro não-linear do corante disperse red 13 (DR13) em metanol. Esse corante possui um efeito não-linear absortivo (absorção saturada) bem caracterizado, sendo um bom material não apenas para calibração, mas também para testar nosso sistema experimental. Os resultados experimentais comprovaram a viabilidade do sistema para caracterização de amostras com efeitos não-lineares absortivos intensos. / In this dissertation, we proposed a method that combines the Z-scan technique and the white-light continuum generated by a photonic crystal fiber to characterize the nonlinear spectrum of materials. The nonlinear spectrum provides crucial information on the characteristic, the origin and the potential of the nonlinearity for devices application. In this sense, the white-light continuum allied to the Z-scan technique allows fast spectra determination in a broad spectral range. In this work, the white light was generated in a commercial photonic crystal fiber pumped by femtosecond pulses from a Ti:sapphire laser oscillator. Both the femtosecond lasers and the photonic crystal fibers are becoming more accessible. In addition, the Z-scan technique is a well-known method for nonlinearities determination due to its simplicity and precision. In this way, we merged these advantages to make a simple, compact and low-cost apparatus for studying nonlinear samples. In general, the nonlinear spectrum determination requires complex laser systems which are able to tune the wavelength. The white-light Z-scan method we developed here was used to measure the nonlinear spectrum of disperse red 13 (DR13) dye in methanol. This dye presents a well-characterized absorcive nonlinear effect (saturable absorption), being a good material not only to calibrate, but also to test our experimental setup. The experimental results confirmed the viability of the setup for characterizing samples with strong nonlinear absorption effect.

Supercontinuum (SC) generation, oftentimes referred to as white-light continuum (WLC), has been a subject of interest for more than 40 years. From the first observation of WLC in condensed media in the early 1970s to the first observation of WLC in gases in the mid-1980s, much work has been devoted to developing a framework for understanding the complex nature of this phenomenon as well as discovering its utility in various applications. The main effort of this dissertation is to develop a WLC for the purpose of broadband nonlinear spectroscopy and use it in spectroscopic measurements. The ability to generate a high-quality, high-spectral-irradiance source of radiation confined in a single beam that spans the visible and near-infrared spectral regimes has great utility for nonlinear measurement methods such as the Z-scan technique. Using a broadband WLC instead of conventional tunable sources of radiation such as optical parametric generators/amplifiers has been shown to increase the efficiency of such measurements by nearly an order of magnitude. Although WLC generation has many complex processes involved, and complete models of the process involve highly complex numerical modeling, simple models can still guide us in the optimization of systems for WLC generation. In this dissertation the effects of two key mechanisms behind WLC generation in gaseous media are explored: self-phase modulation (SPM) and ionization leading to plasma production. The effects of SPM are largely dependent upon the third-order nonlinear refractive index, n2, of the gaseous medium whereas the effects of plasma production are dependent upon many parameters including the initial number density, ionization potential/energy, and the rate of ionization production. It is found that in order to generate a stable WLC suitable for nonlinear spectroscopy, the phase contributions from SPM and plasma production should be nearly equal. This guided our experiments in inert gases using mJ level, 150 fs-FWHM (full-width at half-maximum) pulses at 780 nm as well as 40 fs-FWHM pulses primarily at 1800 nm to create a stable, high-spectral-irradiance WLC. The generated WLC is shown to have sufficient spectral energy and spatial quality suitable for nonlinear spectroscopic measurements. In addition to extending the WLC bandwidth by using a long wavelength (1800 nm) pump source, it is found that by using a secondary weak seed pulse with a peak irradiance three orders of magnitude less than the main pulse, the spectral energy density is enhanced by more than a factor of 3 in Krypton gas for a WLC spectrum that spans over 2 octaves. Numerical simulations are presented which qualitatively describe the experimental results. The spectral enhancement of the WLC by seeding is also demonstrated for other inert gases and condensed media. Other efforts described in this dissertation include the development of the Dual-Arm Z-scan technique and its extension to measuring thin film nonlinearities in the presence of large substrate signals as well as predicting the n2 spectra of organic molecules (where we can approximate their behavior as if they were centrosymmetric) from knowledge of the one-photon and two-photon absorption spectra using a simplified sum-over-states quantum perturbative model by utilizing a quasi 3-level and quasi 4-level system.

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