Femtosecond laser inscribed waveguides inside the bulk of materials have shown great relevance for the development of photonic optical circuits. Due to high intensity, long interaction length and strong light confinement, nonlinear optical effects are significant to pulse propagation within the waveguide. Therefore, it is important to search for new and better platforms to host photonic devices, as well as, to analyze its linear and nonlinear optical properties. In this dissertation, we have studied the inscription of nonlinear waveguides in Gorilla Glass (strengthened alkali aluminosilicate glass) and in L-threonine organic crystals. Initially, we studied the nonlinear refractive index of Gorilla Glass, demonstrating that it presents an approximately constant value of n2 = (3.3 ± 0.6) × 10-20 m2/W over the spectral region from 490 nm up to 1.5 µm. Single-mode waveguides written in Gorilla Glass presents propagation losses on the order of (0.35 ± 0.01) dB/mm, which is comparable to other waveguides inscribed in silicate glasses. In the nonlinear regime, the guided pulse presented spectral broadening, compatible with the measured n2 value, and white-light continuum generation. The generation of new frequencies is due to self-phase modulation and stimulated Raman scattering effects, both associated with third-order nonlinearities of Gorilla Glass. In a second part, we inscribed cladding waveguides in L-threonine organic crystal, in order to explore its second-order nonlinearities. After their linear characterization, that revealed propagation losses of (0.5 ± 0.1) dB/mm, we obtained guided second harmonic generation in the ultraviolet region. The written waveguide presented a normalized power conversion efficiency of (10.3 ± 0.4) % (MW cm2)-1 and approximately four times higher normalized intensity conversion efficiency than the crystal itself. Such enhancement effect was attributed to the influence of the waveguide dispersion in the phase-matching condition necessary for second harmonic generation. In general, the results presented here expand the knowledge on femtosecond laser writing of waveguide in organic and inorganic materials, and their nonlinear properties, which are relevant for developing photonic devices. / Guias de ondas fabricados com pulsos de femtossegundos no volume de materiais são de grande importância para o desenvolvimento de circuitos fotônicos. Devido as altas intensidades, longos comprimentos de interação e forte confinamento, efeitos ópticos não lineares são significativos durante a propagação de pulsos laser em guias de onda. Portanto, é importante buscar novas e melhores plataformas para construir os dispositivos fotônicos, bem como analisar suas propriedades ópticas lineares e não lineares de guiamento. Nesta tese, estudamos a fabricação de guias de onda não lineares em Gorilla Glass (vidro aluminossilicato alcalino) e no cristal orgânico de L-treonina. Inicialmente, estudamos o índice de refração não linear do Gorilla Glass, demonstrando que este apresenta um valor aproximadamente constante, n2 = (3.3 ± 0.6) × 10-20 m2/W, no intervalo espectral de 490 nm até 1,5 µm. Os guias monomodo produzidos no Gorilla Glassapresentaram perdas de transmissão da ordem de (0,35 ± 0,01) dB/mm, as quais são comparáveis às de outros guias em vidros silicatos já reportados. No regime não linear, o pulso guiado apresentou alargamento espectral compatível com o valor determinado para n2, e geração de luz branca. A geração de novas frequências observada se deve aos fenômenos de auto modulação de fase e espalhamento Raman estimulado, ambos associados à não linearidade de terceira ordem do Gorilla Glass. Numa segunda etapa, fabricamos guias de onda do tipo casca em cristais orgânicos de L-treonina, afim de explorar sua não linearidade de segunda ordem. Após sua caracterização linear, onde medimos uma perda de guiamento de (0,5 ± 0,1) dB/mm, fomos capazes de obter geração de segundo harmônico guiada, na região do ultravioleta. O guia fabricado apresentou uma eficiência normalizada de conversão de potência de (10.3 ± 0,4) % (MW cm2)-1 e eficiência normalizada de conversão de intensidade aproximadamente quatro vezes maior do que a do cristal em si. Tal aumento foi atribuído à influência da dispersão do guia no casamento de fase, necessário para geração de segundo harmônico. De maneira geral, os resultados apresentados aqui expandem o conhecimento de fabricação de guias de onda com laser de femtossegundos em materiais inorgânicos e orgânicos, bem como de suas propriedades não lineares relevantes para produção de dispositivos.

Femtosecond laser inscribed waveguides inside the bulk of materials have shown great relevance for the development of photonic optical circuits. Due to high intensity, long interaction length and strong light confinement, nonlinear optical effects are significant to pulse propagation within the waveguide. Therefore, it is important to search for new and better platforms to host photonic devices, as well as, to analyze its linear and nonlinear optical properties. In this dissertation, we have studied the inscription of nonlinear waveguides in Gorilla Glass (strengthened alkali aluminosilicate glass) and in L-threonine organic crystals. Initially, we studied the nonlinear refractive index of Gorilla Glass, demonstrating that it presents an approximately constant value of n2 = (3.3 ± 0.6) × 10-20 m2/W over the spectral region from 490 nm up to 1.5 µm. Single-mode waveguides written in Gorilla Glass presents propagation losses on the order of (0.35 ± 0.01) dB/mm, which is comparable to other waveguides inscribed in silicate glasses. In the nonlinear regime, the guided pulse presented spectral broadening, compatible with the measured n2 value, and white-light continuum generation. The generation of new frequencies is due to self-phase modulation and stimulated Raman scattering effects, both associated with third-order nonlinearities of Gorilla Glass. In a second part, we inscribed cladding waveguides in L-threonine organic crystal, in order to explore its second-order nonlinearities. After their linear characterization, that revealed propagation losses of (0.5 ± 0.1) dB/mm, we obtained guided second harmonic generation in the ultraviolet region. The written waveguide presented a normalized power conversion efficiency of (10.3 ± 0.4) % (MW cm2)-1 and approximately four times higher normalized intensity conversion efficiency than the crystal itself. Such enhancement effect was attributed to the influence of the waveguide dispersion in the phase-matching condition necessary for second harmonic generation. In general, the results presented here expand the knowledge on femtosecond laser writing of waveguide in organic and inorganic materials, and their nonlinear properties, which are relevant for developing photonic devices. / Guias de ondas fabricados com pulsos de femtossegundos no volume de materiais são de grande importância para o desenvolvimento de circuitos fotônicos. Devido as altas intensidades, longos comprimentos de interação e forte confinamento, efeitos ópticos não lineares são significativos durante a propagação de pulsos laser em guias de onda. Portanto, é importante buscar novas e melhores plataformas para construir os dispositivos fotônicos, bem como analisar suas propriedades ópticas lineares e não lineares de guiamento. Nesta tese, estudamos a fabricação de guias de onda não lineares em Gorilla Glass (vidro aluminossilicato alcalino) e no cristal orgânico de L-treonina. Inicialmente, estudamos o índice de refração não linear do Gorilla Glass, demonstrando que este apresenta um valor aproximadamente constante, n2 = (3.3 ± 0.6) × 10-20 m2/W, no intervalo espectral de 490 nm até 1,5 µm. Os guias monomodo produzidos no Gorilla Glassapresentaram perdas de transmissão da ordem de (0,35 ± 0,01) dB/mm, as quais são comparáveis às de outros guias em vidros silicatos já reportados. No regime não linear, o pulso guiado apresentou alargamento espectral compatível com o valor determinado para n2, e geração de luz branca. A geração de novas frequências observada se deve aos fenômenos de auto modulação de fase e espalhamento Raman estimulado, ambos associados à não linearidade de terceira ordem do Gorilla Glass. Numa segunda etapa, fabricamos guias de onda do tipo casca em cristais orgânicos de L-treonina, afim de explorar sua não linearidade de segunda ordem. Após sua caracterização linear, onde medimos uma perda de guiamento de (0,5 ± 0,1) dB/mm, fomos capazes de obter geração de segundo harmônico guiada, na região do ultravioleta. O guia fabricado apresentou uma eficiência normalizada de conversão de potência de (10.3 ± 0,4) % (MW cm2)-1 e eficiência normalizada de conversão de intensidade aproximadamente quatro vezes maior do que a do cristal em si. Tal aumento foi atribuído à influência da dispersão do guia no casamento de fase, necessário para geração de segundo harmônico. De maneira geral, os resultados apresentados aqui expandem o conhecimento de fabricação de guias de onda com laser de femtossegundos em materiais inorgânicos e orgânicos, bem como de suas propriedades não lineares relevantes para produção de dispositivos.

VILELA, Rivelino Cunha. Estudo de transições de fase em cristais de l-alanina + ácido oxálico. 2013. 113 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2013. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-10-29T21:51:24Z No. of bitstreams: 1 2013_tese_rcvilela.pdf: 12577577 bytes, checksum: 4dc32419c1bbdde79375612c04227181 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-11-03T19:48:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2013_tese_rcvilela.pdf: 12577577 bytes, checksum: 4dc32419c1bbdde79375612c04227181 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-03T19:48:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2013_tese_rcvilela.pdf: 12577577 bytes, checksum: 4dc32419c1bbdde79375612c04227181 (MD5) Previous issue date: 2013 / In the present word we have studied the effect of temperature on the Raman spectra of crystals of L-alanine + oxalic acid, C3H8NO2+.C2HO4-. Raman spectroscopy measurements were performed on polycrystalline samples at different temperatures varying in the range from room temperature to T = 20 K; a tentative assignment of all normal modes was furnished. In order to help the understanding of the crystal behavior we have also obtained X-ray diffractograms and studied the dependence of lattice parameters through dilatometry as a function of temperature in the 290 K – 93 K range. The three different techniques allowed us to construct a picture of the material under low temperature conditions. As a consequence we have realized that L-alanine + oxalic acid crystal undergoes three phase transitions at low temperatures. The splitting of a band at 90 cm-1 and an anomaly in one of the lattice parameters are the signature for the first phase transition that is observed at 250 K. At 150 K it was observed the appearance of two new bands in the Raman spectrum and, simultaneously, it was observed change in the curves of a and c lattice parameters. Additionally, it was verified the appearance of new peaks in the X-ray diffractogram at the same temperature, characterizing the second phase transition. At a temperature even lower, at about 43 K, it was verified the occurrence of the third phase transition that has as main characteristic the splitting of two bands that are associated to the lattice modes. Changes in the modes associated with CH3 and NH3+ during the cooling is discussed. An important behavior of the crystal with the cooling process was the red shift of the band of lower frequency, similar to the soft-mode vibration of ferroelectric materials, although the frequency of the mode in L-alanine + oxalic acid does not goes to zero. Based on the results on Raman spectroscopy, dilatometry and X-ray diffraction, and on the possible symmetry sites occupied by the molecules through the O=CC group in the various phases, it is suggested the following sequence of phase transitions D24  C2h5  Cs3  C23, which should occur at 250 K, 150 K and 43 K. / Neste trabalho, estudou-se o efeito da temperatura nos espectros Raman de cristais de L-alanina + ácido oxálico, C3H8NO2+.C2HO4-. Foram realizadas medidas de espectroscopia Raman em policristais a diferentes temperaturas no intervalo compreendido entre a temperatura ambiente e a temperatura de 20 K, sendo fornecida uma identificação tentativa para todos os modos normais de vibração observados. Para auxiliar o entendimento do comportamento do cristal também foram obtidos os difratogramas de raios-X bem como estudada a dependência dos parâmetros de rede em função da temperatura através de dilatometria no intervalo entre 290 K e 93 K. As três técnicas utilizadas em conjunto permitiram mostrar o comportamento estrutural do material em baixas temperaturas. Deste quadro foi possível inferir que os cristais de L-alanina + ácido oxálico apresentam três diferentes transições de fase durante o resfriamento. Em 250 K o aparecimento de um dubleto em 90 cm-1 e a anomalia num dos parâmetros de rede apontam para a ocorrência da primeira transição de fase. Em 150 K surgem pelo menos duas novas bandas no espectro Raman, ao mesmo tempo em que ocorrem bruscas mudanças de inclinação nas curvas que representam as dimensões dos eixos a e c do cristal. Também se verifica que, de forma semelhante ao que ocorre com os espectros Raman, aparecem novos picos no difratograma de raios-X em torno desta temperatura, caracterizando assim a segunda transição de fase. A uma temperatura ainda mais baixa, em torno de 43 K, foi verificada a ocorrência da terceira transição de fase, que tem como principal característica a separação de dois modos Raman associados a modos da rede. Mudanças nos ambientes dos grupos CH3 e do NH3+ durante o resfriamento são discutidas. Um importante aspecto apresentado pelos espectros Raman com o resfriamento da amostra foi o deslocamento da banda de mais baixa energia para menores valores de frequências, semelhantemente ao que ocorre com vibrações do tipo soft-mode em materiais ferroelétricos, embora a frequência do modo no cristal de L-alanina + ácido oxálico não tenha ido à zero. Baseado nos resultados acima e nos possíveis sítios de simetria ocupados pelas moléculas através do grupo O=CC nas diversas fases, sugere-se a seguinte sequência de transições de fase D24 para C2h5 para Cs3 para C23, que aconteceriam, respectivamente, nas temperaturas de 250 K, 150 K e 43 K.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Neste trabalho, estudou-se o efeito da temperatura nos espectros Raman de cristais de L-alanina + Ãcido oxÃlico, C3H8NO2+.C2HO4-. Foram realizadas medidas de espectroscopia Raman em policristais a diferentes temperaturas no intervalo compreendido entre a temperatura ambiente e a temperatura de 20 K, sendo fornecida uma identificaÃÃo tentativa para todos os modos normais de vibraÃÃo observados. Para auxiliar o entendimento do comportamento do cristal tambÃm foram obtidos os difratogramas de raios-X bem como estudada a dependÃncia dos parÃmetros de rede em funÃÃo da temperatura atravÃs de dilatometria no intervalo entre 290 K e 93 K. As trÃs tÃcnicas utilizadas em conjunto permitiram mostrar o comportamento estrutural do material em baixas temperaturas. Deste quadro foi possÃvel inferir que os cristais de L-alanina + Ãcido oxÃlico apresentam trÃs diferentes transiÃÃes de fase durante o resfriamento. Em 250 K o aparecimento de um dubleto em 90 cm-1 e a anomalia num dos parÃmetros de rede apontam para a ocorrÃncia da primeira transiÃÃo de fase. Em 150 K surgem pelo menos duas novas bandas no espectro Raman, ao mesmo tempo em que ocorrem bruscas mudanÃas de inclinaÃÃo nas curvas que representam as dimensÃes dos eixos a e c do cristal. TambÃm se verifica que, de forma semelhante ao que ocorre com os espectros Raman, aparecem novos picos no difratograma de raios-X em torno desta temperatura, caracterizando assim a segunda transiÃÃo de fase. A uma temperatura ainda mais baixa, em torno de 43 K, foi verificada a ocorrÃncia da terceira transiÃÃo de fase, que tem como principal caracterÃstica a separaÃÃo de dois modos Raman associados a modos da rede. MudanÃas nos ambientes dos grupos CH3 e do NH3+ durante o resfriamento sÃo discutidas. Um importante aspecto apresentado pelos espectros Raman com o resfriamento da amostra foi o deslocamento da banda de mais baixa energia para menores valores de frequÃncias, semelhantemente ao que ocorre com vibraÃÃes do tipo soft-mode em materiais ferroelÃtricos, embora a frequÃncia do modo no cristal de L-alanina + Ãcido oxÃlico nÃo tenha ido à zero. Baseado nos resultados acima e nos possÃveis sÃtios de simetria ocupados pelas molÃculas atravÃs do grupo O=CC nas diversas fases, sugere-se a seguinte sequÃncia de transiÃÃes de fase D24 para C2h5 para Cs3 para C23, que aconteceriam, respectivamente, nas temperaturas de 250 K, 150 K e 43 K. / In the present word we have studied the effect of temperature on the Raman spectra of crystals of L-alanine + oxalic acid, C3H8NO2+.C2HO4-. Raman spectroscopy measurements were performed on polycrystalline samples at different temperatures varying in the range from room temperature to T = 20 K; a tentative assignment of all normal modes was furnished. In order to help the understanding of the crystal behavior we have also obtained X-ray diffractograms and studied the dependence of lattice parameters through dilatometry as a function of temperature in the 290 K â 93 K range. The three different techniques allowed us to construct a picture of the material under low temperature conditions. As a consequence we have realized that L-alanine + oxalic acid crystal undergoes three phase transitions at low temperatures. The splitting of a band at 90 cm-1 and an anomaly in one of the lattice parameters are the signature for the first phase transition that is observed at 250 K. At 150 K it was observed the appearance of two new bands in the Raman spectrum and, simultaneously, it was observed change in the curves of a and c lattice parameters. Additionally, it was verified the appearance of new peaks in the X-ray diffractogram at the same temperature, characterizing the second phase transition. At a temperature even lower, at about 43 K, it was verified the occurrence of the third phase transition that has as main characteristic the splitting of two bands that are associated to the lattice modes. Changes in the modes associated with CH3 and NH3+ during the cooling is discussed. An important behavior of the crystal with the cooling process was the red shift of the band of lower frequency, similar to the soft-mode vibration of ferroelectric materials, although the frequency of the mode in L-alanine + oxalic acid does not goes to zero. Based on the results on Raman spectroscopy, dilatometry and X-ray diffraction, and on the possible symmetry sites occupied by the molecules through the O=CC group in the various phases, it is suggested the following sequence of phase transitions D24  C2h5  Cs3  C23, which should occur at 250 K, 150 K and 43 K.