Através da aplicação de microusinagem com laser de femtossegundos é possível fazer ablação de cavidades com precisão de poucos μm. Se comparado com o processo de litografia, por exemplo, apresenta algumas vantagens como poder ser aplicada em praticamente qualquer tipo de substrato e utilizar tecnologia simples de usinagem assistida por computador para a geração de perfis de duas ou três dimensões. O objetivo deste trabalho foi estudar estratégias e parâmetros com laser de femtossegundos para ablação dos polímeros poliestireno e polidimetilsiloxano (PDMS), de forma a afetar o mínimo possível as características das regiões adjacentes à usinagem. Como exemplos de aplicações, temos o primeiro material que tem sido texturizado para cultura controlada de células do coração e o segundo que faz parte da estrutura de certos circuitos microfluídicos. A fim de se fazer um levantamento dos limiares de ablação destes materiais, foram utilizadas as técnicas D-Scan e regressão de diâmetro. Diversos traços foram realizados variando-se as velocidades de deslocamento da amostra. Com isso, foram analisados os efeitos de incubação e a relação da sobreposição de pulsos com a largura dos traços criados. Por fim foram incluídos incrementos laterais entre os traços, obtendo-se uma área ablacionada. Procurou-se variar a frequência dos pulsos nos experimentos para investigar o aparecimento de um possível efeito térmico com diferentes intervalos de tempo entre pulsos consecutivos. Foram conseguidos parâmetros em que é possível realizar a ablação de pontos, traços e superfícies sem aparente fusão do material. Porém observou-se que o aspecto do perfil ablacionado não tem a tendência de ficar liso e uniforme. Os resultados demonstram a enorme variedade de combinações e parâmetros que podem ser obtidos com a técnica de microusinagem com laser de femtossegundos e favorecem o estudo do processamento destes polímeros. / Through the use of femtosecond laser micromachining, it is possible to ablate cavities with accuracy in the order of a few micrometers. Compared with lithography process, for example, it has some advantages such as being able to be applied to virtually any type of substrate and using simple computer assisted machining technology for the generation of two or three dimensional profiles. The objective of this work was to study strategies and parameters with femtosecond lasers for the ablation of polystyrene and PDMS polymers, in order to affect, as little as possible, the characteristics of these materials. As examples of applications, the first material has been textured for controlled culture of heart cells and the second is used in microfluidic circuits. In order to find out the ablation thresholds of these materials, the D-Scan technique and diameter regression were used. Several traces were performed by varying the sample displacement velocities. Thus, the effects of incubation and the relation of the overlapping of pulses with the width of the traces created were analyzed. Finally, lateral increments were included between the traces, obtaining an ablated area. It was attempted to vary the pulse frequency in the experiments to investigate the appearance of a possible thermal effect with different time intervals between consecutive pulses. Parameters were obtained in which it is possible to perform the ablation of points, traces and surfaces without apparent melting of the material. However, it has been observed that the aspect of the ablated profile does not tend to be smooth and uniform. The results demonstrate the enormous variety of combinations and parameters that can be obtained with the femtosecond laser micromachining technique and favor the study of the processing of these polymers.

Neste trabalho, foram realizados diversos experimentos para a criação controlada de nanoestruturas superficiais produzidas por Laser pulsado de femtossegundo em Titânio e em aço inoxidável, ambos utilizados para fins cirúrgicos e industriais. Os parâmetros alterados nos experimentos foram a Fluência do laser, a taxa de sobreposição de pulsos, polarização do feixe e atmosfera de processamento. A vantagem na utilização do laser de femtossegundo para essas aplicações é a possibilidade de ser criar tais estruturas sem que haja aquecimento crítico do material, evitando assim, a criação de óxidos ou nitretos superficiais, já que esses a formação desses materiais superficiais pode afetar o desempenho industrial e cirúrgico dos materiais. Após o entendimento dos parâmetros de irradiação na formação das nanoestruturas, foram propostas três aplicações possíveis para a superfície resultante do processamento com laser: Superfícies coloridas, que podem ser utilizadas em personalização de peças; Superfícies escuras, que podem ser utilizadas na marcação e tipagem de peças; e um Micro Aquecedor, que pode ser utilizado no controle de temperaturas dentro de circuitos microfluídicos. / In this work, several experiments were carried out for the controlled creation of surface nanostructures produced by femtosecond laser pulses in Titanium and stainless steel, both used for surgical and industrial purposes. The altered parameters in the experiments were the laser Fluence, the overlap pulses rate, the beam polarization and processing atmosphere. The advantage of using femtosecond laser for such applications is the possibility of creating the nanostructures without critical heating of the material, thus avoiding the creation of surface oxides or nitrides, since the formation of such surface materials may affect the industrial and surgical materials performance. After the understanding of the irradiation parameters in the formation of the nanostructures, three possible applications were proposed for the surface resulting from the laser processing: Colored surfaces, which can be used in personalization of parts; Dark surfaces, which can be used in parts marking; and a Micro Heater, which can be used to control temperatures inside microfluidic circuits.

Fluorescência é uma técnica bastante utilizada para diagnóstico, análise de materiais e tecidos biológicos, técnicas forenses entre outras. Neste contexto, métodos para detectar sinais de moléculas fluorescentes com maior sensibilidade e especificidade têm sido investigados, principalmente para detecção de moléculas em concentrações extremamente baixas. Dada a importância do tema, o presente trabalho, de caráter inovador, busca gerar nanoestruturas em prata com laser pulsado femtossegundo, capazes de aumentar níveis de fluorescência de moléculas próximas às nanoestruturas. Foi utilizado um laser Libra femtossegundo de 450 mW, 1 KHz de frequência e comprimento de onda de 850 nm da Coherent para a criação de nanoestruturas em prata pura polida. Diferentes parâmetros de marcação resultaram em variados perfis de nanoestruturas, tanto periódicas e regulares, quanto aglomerados caóticos de esferas nanométricas pela superfície marcada, onde as estruturas apresentavam periodicidade de aproximadamente 500 nm e as esferas possuem tamanhos variando de 50 a 500 nm, quando avaliadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microscopia de força atômica (AFM). O efeito de proximidade destas nanoestruturas caóticas com a adição de um fluoróforo (Protoporfirina IX à 0,5 μg/ml em etanol) proporcionou um aumento do sinal de fluorescência, quando comparado à uma região não marcada, quando avaliado por microscopia confocal de fluorescêcia. Portanto, este aumento de sinal foi de aproximadamente 25 vezes para excitação de um fóton (405 nm) e cerca de 300 vezes para a excitação de dois fótons (800 nm). / Fluorescence is a widely applied technique in diagnosis, material and biological tissue analysis, forensic sciences and other areas. Tools for enhancing the fluorescence signal with high sensitivity and specificity are needed to detect trace levels of target molecules. This innovative project aims to create nanostructures on pure silver using femtosecond pulsed laser to enhance the fluorescence signal emission from molecules near that interface. It was used a femtosecond Libra laser of 450 mW, 1KHz of frequency and wavelength of 850 nm from Coherent to form the nanostructures on polished pure silver. The nanostructures were obtained on different shapes onto the surfaces, from periodic nanostructures having ~500 nm of periodicity, to chaotic agglomerates of silver spheres with size ranging from 50 to 500 nm, when analyzed with Scanning Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy. The effect of proximity between the chaotic structures and the fluorophore (Protoporphyrin IX at 0,5 μg/ml in ethanol) resulted in an increase of 25 times the fluorescence signal when used one photon excitation (405 nm) and enhancement of 300 times using two photon excitation.

Neste trabalho, foram realizados diversos experimentos para a criação controlada de nanoestruturas superficiais produzidas por Laser pulsado de femtossegundo em Titânio e em aço inoxidável, ambos utilizados para fins cirúrgicos e industriais. Os parâmetros alterados nos experimentos foram a Fluência do laser, a taxa de sobreposição de pulsos, polarização do feixe e atmosfera de processamento. A vantagem na utilização do laser de femtossegundo para essas aplicações é a possibilidade de ser criar tais estruturas sem que haja aquecimento crítico do material, evitando assim, a criação de óxidos ou nitretos superficiais, já que esses a formação desses materiais superficiais pode afetar o desempenho industrial e cirúrgico dos materiais. Após o entendimento dos parâmetros de irradiação na formação das nanoestruturas, foram propostas três aplicações possíveis para a superfície resultante do processamento com laser: Superfícies coloridas, que podem ser utilizadas em personalização de peças; Superfícies escuras, que podem ser utilizadas na marcação e tipagem de peças; e um Micro Aquecedor, que pode ser utilizado no controle de temperaturas dentro de circuitos microfluídicos. / In this work, several experiments were carried out for the controlled creation of surface nanostructures produced by femtosecond laser pulses in Titanium and stainless steel, both used for surgical and industrial purposes. The altered parameters in the experiments were the laser Fluence, the overlap pulses rate, the beam polarization and processing atmosphere. The advantage of using femtosecond laser for such applications is the possibility of creating the nanostructures without critical heating of the material, thus avoiding the creation of surface oxides or nitrides, since the formation of such surface materials may affect the industrial and surgical materials performance. After the understanding of the irradiation parameters in the formation of the nanostructures, three possible applications were proposed for the surface resulting from the laser processing: Colored surfaces, which can be used in personalization of parts; Dark surfaces, which can be used in parts marking; and a Micro Heater, which can be used to control temperatures inside microfluidic circuits.

O principal objetivo deste trabalho foi estudar a influência do tratamento superficial com laser de femtossegundo em amostras de alumina e compósito de alumina-zircônia estabilizada com ítria para depósito e aderência de apatita. Os resultados obtidos mostraram que houve a formação de apatita sobre as superfícies das amostras que foram texturizadas com laser de femtossegundo e em seguida imersa em 1,5 SBF. Este método biomimético pôde, por conseguinte, tornar estas cerâmicas bioativas. Também houve a formação de apatita na superfície das amostras sem o tratamento a laser. Os efeitos da texturização na superfície para as diferentes cerâmicas e a influência do tempo de imersão em 1,5 SBF são discutidos, a fim de determinar a condição ótima para estimular a deposição e a adesão da apatita na superfície dos materiais. Finalmente, os resultados obtidos das diferentes análises são comparados. A adesão da hidroxiapatita é essencial para interação com o substrato e depende das propriedades das superfícies dos materiais. A qualidade desta adesão influenciará sua morfologia e a capacidade futura de osseointegração. As características de superfície dependem da química de superfície, energia de superfície e topografia de superfície. Geralmente, a reatividade de superfície e energia de superfície pode ser influenciada pelas características de molhabilidade, influenciando o desempenho de biomateriais. A adesão e crescimento da apatita depositada também é função da rugosidade superficial. O tratamento superficial com laser de femtossegundo melhora consideravelmente a adesão da apatita obtida pelo recobrimento biomimético nas superfícies dos materiais. / The main objective of this work was to study the influence of femtosecond laser surface treatment on samples of alumina and composite of zirconia-alumina yttria stabilized for deposit and adhesion of apatite. The results showed that there was apatite formation on the surfaces of the samples that have been textured with femtosecond laser and then immersed in SBF 1.5. This biomimetic method can therefore make these bioactive ceramics. There was also the formation of apatite in the samples without laser treatment. The effects of texturing surface for the different ceramics and the influence of immersion time in SBF 1.5 are discussed in order to determine the optimal conditions to promote the deposition and the adhesion of the apatite in the material`s surface. Finally, the results of the different analyzes are compared. The adhesion of hydroxyapatite is essential for interaction with the substrate and depends on the properties of material´s surface. The quality of this adhesion will influence their morphology and the future ability of osseointegration. The surface characteristics depend on the surface chemical, surface energy and surface topography. Generally, the reactivity of surface and the energy of surface can be affected by wetting characteristics influencing the performance of biomaterials. The adhesion and growth of apatite deposited is also a function of surface roughness. The femtosecond laser surface treatment greatly improves the adhesion of apatite obtained by biomimetic coating on the surfaces of materials.

O principal objetivo deste trabalho foi estudar a influência do tratamento superficial com laser de femtossegundo em amostras de alumina e compósito de alumina-zircônia estabilizada com ítria para depósito e aderência de apatita. Os resultados obtidos mostraram que houve a formação de apatita sobre as superfícies das amostras que foram texturizadas com laser de femtossegundo e em seguida imersa em 1,5 SBF. Este método biomimético pôde, por conseguinte, tornar estas cerâmicas bioativas. Também houve a formação de apatita na superfície das amostras sem o tratamento a laser. Os efeitos da texturização na superfície para as diferentes cerâmicas e a influência do tempo de imersão em 1,5 SBF são discutidos, a fim de determinar a condição ótima para estimular a deposição e a adesão da apatita na superfície dos materiais. Finalmente, os resultados obtidos das diferentes análises são comparados. A adesão da hidroxiapatita é essencial para interação com o substrato e depende das propriedades das superfícies dos materiais. A qualidade desta adesão influenciará sua morfologia e a capacidade futura de osseointegração. As características de superfície dependem da química de superfície, energia de superfície e topografia de superfície. Geralmente, a reatividade de superfície e energia de superfície pode ser influenciada pelas características de molhabilidade, influenciando o desempenho de biomateriais. A adesão e crescimento da apatita depositada também é função da rugosidade superficial. O tratamento superficial com laser de femtossegundo melhora consideravelmente a adesão da apatita obtida pelo recobrimento biomimético nas superfícies dos materiais. / The main objective of this work was to study the influence of femtosecond laser surface treatment on samples of alumina and composite of zirconia-alumina yttria stabilized for deposit and adhesion of apatite. The results showed that there was apatite formation on the surfaces of the samples that have been textured with femtosecond laser and then immersed in SBF 1.5. This biomimetic method can therefore make these bioactive ceramics. There was also the formation of apatite in the samples without laser treatment. The effects of texturing surface for the different ceramics and the influence of immersion time in SBF 1.5 are discussed in order to determine the optimal conditions to promote the deposition and the adhesion of the apatite in the material`s surface. Finally, the results of the different analyzes are compared. The adhesion of hydroxyapatite is essential for interaction with the substrate and depends on the properties of material´s surface. The quality of this adhesion will influence their morphology and the future ability of osseointegration. The surface characteristics depend on the surface chemical, surface energy and surface topography. Generally, the reactivity of surface and the energy of surface can be affected by wetting characteristics influencing the performance of biomaterials. The adhesion and growth of apatite deposited is also a function of surface roughness. The femtosecond laser surface treatment greatly improves the adhesion of apatite obtained by biomimetic coating on the surfaces of materials.

Third-harmonic generation (THG) is a fundamental nonlinear optical process that has been used in different applications such as third-order nonlinear materials characterization and nonlinear microscopy. It is widely employed since the third-order nonlinearity is the most important in isotropic materials and THG occurs in all media regardless of symmetry. In the tightly focused laser beam condition THG is observed only at the materials interfaces, where the focal symmetry is broken due to the presence of two media with different refractive index and/or third-order susceptibilities. Measuring slabs of different types of optical glasses, using femtosecond laser pulses, we could explain the asymmetric THG intensity profile observed at the interfaces. The harmonic generated at the exit interface is systematically stronger than the one generated at the entrance and this phenomenon can be understood by taking into account the presence of self-focusing effects. Basically, the self-focusing reduces the beam waist radius at the exit interface, resulting in greater laser irradiance and, consequently, higher THG. This study was then extended to the interfaces of a cuvette filled with organic solvents. Such systems present four interfaces and a mixture of nonlinear processes contributions since the cuvette walls present only electronic nonlinearity and the solvents present both electronic and orientational ones. In this way, the solvents may present an additional self-focusing contribution and, due to the noninstantaneous nature of the orientational process, the self-focusing from the solvent may be influenced by the pulse duration. In this case, the THG, which is an instantaneous electronic phenomenon, can be indirectly affected by pulse duration by means of the self-focusing effect. Usually, the slow orientational contribution is not considered for materials characterization by THG which may lead to incorrect nonlinear coefficient values, that means our study is important from the fundamental physics point of view and also for applications such as materials characterization. Based on the application of THG in nonlinear microscopy, we also present a microscopy technique which makes use of spatial frequency-modulated imaging (SPIFI) with single element detection. The microscope was developed at Colorado School of Mines (CSM) during an internship. The system uses a spatial light modulator (SLM) to provide the spatial frequency modulation and permits enhanced resolution images. THG SPIFI images are shown for the first time and we also report images obtained by other nonlinear optical process. In summary, the studies presented in this PhD work are of great importance for THG fundamental understanding, materials characterization and nonlinear optical microscopy. / Geração de terceiro harmônico (GTH) é um processo óptico não linear fundamental que tem sido usado em diferentes aplicações, como em caracterização óptica não linear de materiais e microscopia não linear. Ele é amplamente empregado uma vez que a não linearidade de terceira ordem é a mais importante em materiais isotrópicos e GTH ocorre em todos os meios independente da simetria. Na condição de feixe fortemente focalizado a GTH é observada apenas nas interfaces do material, onde a simetria focal é quebrada devido à presença de dois meios com diferentes índices de refração e/ou susceptibilidades de terceira ordem. Medindo lâminas de diferentes tipos de vidros ópticos, com pulsos de laser de femtossegundos, nós explicamos o perfil assimétrico de intensidade de GTH observado nas interfaces. O harmônico gerado na interface de saída é sistematicamente mais intenso do que o gerado na entrada e este fenômeno pode ser entendido levando-se em conta a presença do efeito de autofocalização. Basicamente, a autofocalização reduz a cintura do feixe na interface de saída do material, resultando em uma maior irradiância e, consequentemente, maior GTH. Este estudo foi estendido para o caso de interfaces de uma cubeta preenchida com diferentes solventes orgânicos. Tais sistemas apresentam quatro interfaces e uma mistura na contribuição dos processos não lineares, dado que as paredes da cubeta apresentam apenas não linearidade eletrônica e os solventes podem apresentar não linearidades tanto eletrônicas quanto orientacionais. Neste sentido, os solventes podem apresentar uma contribuição adicional de autofocalização e, devido à natureza não instantânea do processo orientacional, a autofocalização proveniente do solvente pode ser influenciada pela duração do pulso. Neste caso, a GTH, que é um fenômeno eletrônico (instantâneo), pode ser indiretamente afetada pela duração do pulso por meio do efeito de autofocalização. Usualmente, a contribuição orientacional não é considerada na caracterização de materiais por GTH, o que pode levar à valores incorretos para os coeficientes não lineares, o que significa que nosso estudo é importante do ponto de vista de física fundamental como também em aplicações como caracterização de materiais. Por conta da aplicação da GTH em microscopia não linear, apresentamos também nesta tese uma técnica de microscopia, que baseia-se em uma modulação em frequência espacial para imageamento (SPIFI) com uso de um detector de elemento único. O microscópio foi desenvolvido na Colorado School of Mines (CSM) durante um período de estágio. O sistema utiliza um modulador espacial de luz (SLM) para produzir a modulação em frequência espacial e permite obtenção de imagens em alta resolução. Imagens por GTH SPIFI são mostradas pela primeira vez e também apresentamos imagens obtidas por outros processos ópticos não lineares. Em resumo, os estudos apresentados neste trabalho de doutorado são de grande importância para o entendimento fundamental do processo de GTH, caracterização de materiais e microscopia óptica não linear.

Third-harmonic generation (THG) is a fundamental nonlinear optical process that has been used in different applications such as third-order nonlinear materials characterization and nonlinear microscopy. It is widely employed since the third-order nonlinearity is the most important in isotropic materials and THG occurs in all media regardless of symmetry. In the tightly focused laser beam condition THG is observed only at the materials interfaces, where the focal symmetry is broken due to the presence of two media with different refractive index and/or third-order susceptibilities. Measuring slabs of different types of optical glasses, using femtosecond laser pulses, we could explain the asymmetric THG intensity profile observed at the interfaces. The harmonic generated at the exit interface is systematically stronger than the one generated at the entrance and this phenomenon can be understood by taking into account the presence of self-focusing effects. Basically, the self-focusing reduces the beam waist radius at the exit interface, resulting in greater laser irradiance and, consequently, higher THG. This study was then extended to the interfaces of a cuvette filled with organic solvents. Such systems present four interfaces and a mixture of nonlinear processes contributions since the cuvette walls present only electronic nonlinearity and the solvents present both electronic and orientational ones. In this way, the solvents may present an additional self-focusing contribution and, due to the noninstantaneous nature of the orientational process, the self-focusing from the solvent may be influenced by the pulse duration. In this case, the THG, which is an instantaneous electronic phenomenon, can be indirectly affected by pulse duration by means of the self-focusing effect. Usually, the slow orientational contribution is not considered for materials characterization by THG which may lead to incorrect nonlinear coefficient values, that means our study is important from the fundamental physics point of view and also for applications such as materials characterization. Based on the application of THG in nonlinear microscopy, we also present a microscopy technique which makes use of spatial frequency-modulated imaging (SPIFI) with single element detection. The microscope was developed at Colorado School of Mines (CSM) during an internship. The system uses a spatial light modulator (SLM) to provide the spatial frequency modulation and permits enhanced resolution images. THG SPIFI images are shown for the first time and we also report images obtained by other nonlinear optical process. In summary, the studies presented in this PhD work are of great importance for THG fundamental understanding, materials characterization and nonlinear optical microscopy. / Geração de terceiro harmônico (GTH) é um processo óptico não linear fundamental que tem sido usado em diferentes aplicações, como em caracterização óptica não linear de materiais e microscopia não linear. Ele é amplamente empregado uma vez que a não linearidade de terceira ordem é a mais importante em materiais isotrópicos e GTH ocorre em todos os meios independente da simetria. Na condição de feixe fortemente focalizado a GTH é observada apenas nas interfaces do material, onde a simetria focal é quebrada devido à presença de dois meios com diferentes índices de refração e/ou susceptibilidades de terceira ordem. Medindo lâminas de diferentes tipos de vidros ópticos, com pulsos de laser de femtossegundos, nós explicamos o perfil assimétrico de intensidade de GTH observado nas interfaces. O harmônico gerado na interface de saída é sistematicamente mais intenso do que o gerado na entrada e este fenômeno pode ser entendido levando-se em conta a presença do efeito de autofocalização. Basicamente, a autofocalização reduz a cintura do feixe na interface de saída do material, resultando em uma maior irradiância e, consequentemente, maior GTH. Este estudo foi estendido para o caso de interfaces de uma cubeta preenchida com diferentes solventes orgânicos. Tais sistemas apresentam quatro interfaces e uma mistura na contribuição dos processos não lineares, dado que as paredes da cubeta apresentam apenas não linearidade eletrônica e os solventes podem apresentar não linearidades tanto eletrônicas quanto orientacionais. Neste sentido, os solventes podem apresentar uma contribuição adicional de autofocalização e, devido à natureza não instantânea do processo orientacional, a autofocalização proveniente do solvente pode ser influenciada pela duração do pulso. Neste caso, a GTH, que é um fenômeno eletrônico (instantâneo), pode ser indiretamente afetada pela duração do pulso por meio do efeito de autofocalização. Usualmente, a contribuição orientacional não é considerada na caracterização de materiais por GTH, o que pode levar à valores incorretos para os coeficientes não lineares, o que significa que nosso estudo é importante do ponto de vista de física fundamental como também em aplicações como caracterização de materiais. Por conta da aplicação da GTH em microscopia não linear, apresentamos também nesta tese uma técnica de microscopia, que baseia-se em uma modulação em frequência espacial para imageamento (SPIFI) com uso de um detector de elemento único. O microscópio foi desenvolvido na Colorado School of Mines (CSM) durante um período de estágio. O sistema utiliza um modulador espacial de luz (SLM) para produzir a modulação em frequência espacial e permite obtenção de imagens em alta resolução. Imagens por GTH SPIFI são mostradas pela primeira vez e também apresentamos imagens obtidas por outros processos ópticos não lineares. Em resumo, os estudos apresentados neste trabalho de doutorado são de grande importância para o entendimento fundamental do processo de GTH, caracterização de materiais e microscopia óptica não linear.

O propósito principal desta tese foi a implementação e estudo da geração de pulsos laser de femtossegundos em comprimentos de onda curtos (ultravioleta profundo, ultravioleta de vácuo e ultravioleta extremo) pela técnica de conversão de frequência em capilar preenchido com gás nobre. Esta técnica de conversão de frequência tem feito diversas contribuições nas últimas décadas para o avanço da geração de pulsos laser ultracurtos nesta região espectral. O desenvolvimento de tais fontes de luz coerente possui importantes implicações nos estudos de espectroscopia resolvida no tempo em átomos, moléculas e materiais. Através da implementação da técnica de conversão de frequência com casamento de fase em capilar preenchido com gás argônio, foi possível a obtenção de pulsos de femtossegundos centrados em 260 nm e 195 nm utilizando um sistema laser amplificado Ti: safira (780 nm, 1.5 mJ, 43 fs, 1 KHz). Estes comprimentos de onda correspondem, respectivamente, aos terceiro e quarto harmônicos da frequência fundamental do laser utilizado. Pulsos centrados em 260 nm com excelente perfil espacial, energias da ordem de microjoules e durações temporais tão curtas quanto 18 fs, possibilitadas pela recompressão por um par de prismas, foram obtidos, os quais possuem grande aplicabilidade em estudos de espectroscopia não linear e resolvida no tempo. Pulsos ultracurtos centrados em 195 nm também foram obtidos. Uma investigação da influência da modulação da fase espectral do pulso laser em 780 nm sobre a geração de harmônicos através do processo do mistura de quatro ondas, também foi realizada. Desta forma, foi implementado um sistema de controle de formato de pulso laser de femtossegundo na configuração 4f baseado em um modulador espacial de luz de cristal líquido com o objetivo de modular a fase espectral dos pulsos laser em 780 nm. Este sistema de controle de formato de pulso foi então integrado ao sistema de geração de pulsos ultracurtos no ultravioleta profundo através do processo de mistura de ondas já implementado. Este estudo teve como objetivo, a obtenção da modulação indireta da fase espectral de pulsos em 260 nm através da transferência de fase espectral modulada de pulsos em 780 nm. Resultados iniciais interessantes foram obtidos utilizando uma fase espectral do tipo degrau com amplitude radianos, indicando a correta implementação do sistema. A obtenção de pulsos laser de femtossegundos no ultravioleta profundo com fase espectral modulada é de grande interesse para realização de experimentos de controle coerente nesta região espectral e também para estudos básicos de como a transferência de fase espectral ocorre para diferentes processos ópticos não lineares. Experimentos de geração de altos harmônicos pela técnica de conversão de frequência com casamento de fase em capilar preenchido com gás nobre, utilizando pulsos laser de femtossegundos em 400nm e 800nm, foram realizados durante estágio na Universidade do Colorado, EUA. Neste estudo, utilizando pulsos em 400nm, foi obtido um aumento maior que uma ordem de grandeza na região espectral em torno de 60eV em comparação com o fluxo de harmônicos gerados, nesta mesma região de energia, com pulsos centrados em 800nm. Por fim, através da experiência adquirida durante este estágio, foi desenvolvido e implementado em nosso laboratório um sistema de geração de altos harmônicos na região do ultravioleta extremo, baseado na técnica de conversão em capilar preenchido com gás argônio. Harmônicos de alta ordem na região de energia de 40ev (31nm) foram obtidos, tendo sido demonstrada a conversão sob condição de casamento de fase. Utilizando pulsos de femtossegundos em 780nm, a ordem máxima do harmônico observada foi igual a 27 (28.9nm, 42.9eV), devido a limitação da faixa espectral do monocromador utilizado em nossos experimentos. A implementação deste sistema torna disponível no Grupo de Fotônica, uma fonte de luz coerente no ultravioleta extremo, cujas propriedades únicas já tem sido amplamente exploradas em uma variedade de estudos de ciência básica e aplicada. / The main purpose of this thesis was the implementation and study of femtosecond laser pulses generation at short wavelengths (deep ultraviolet, vacuum ultraviolet end extreme ultraviolet) by the technique of frequency conversion in a hollow fiber filled with a noble gas. This frequency conversion technique has made several contributions in the last decades to improve the generation of ultrashort laser pulses in this spectral region. The development of such coherent light sources has important implications on ultrafast time-resolved spectroscopic study of atoms, molecules and materials. Through the implementation of the technique of phase matched frequency conversion in a gas filled hollow fiber using argon, it was possible to obtain femtosecond pulses centered at 260 nm and 195 nm using a Ti: sapphire amplified laser (780 nm, 1.5 mJ, 43 fs, 1 KHz). These wavelengths corresponds, respectively, to the third and fourth harmonics of the laser fundamental frequency. Pulses centered at 260 nm with excellent spatial profile, energies on the order of microjoules and temporal durations down to 18 fs, trough the compression by a prism pair, were obtained, which have wide applicability in nonlinear and time resolved optical spectroscopic studies. Ultrashort pulses at 195 nm where also obtained. An investigation of the influence of the spectral phase modulation of the laser pulses at 780 nm on the four-wave mixing nonlinear process for harmonic generation was also performed. In this way, a femtosecond pulse shaper based on a liquid crystal spatial light modulator in the 4f configuration was implemented in order to modulate the spectral phase of femtosecond pulses at 780 nm. This pulse shaper was then integrated to the system for generation of ultrashort pulses in the deep ultraviolet through the wave mixing process already implemented. This study aimed to obtain the indirect modulation of the 260 nm pulses spectral phase through the transfer of modulated spectral phase from pulses at 780 nm. Interesting initial results were obtained using a -step spectral phase, indicating the correct implementation of the system. The achievement of femtosecond pulses with modulated spectral phase in the deep ultraviolet is of great interest to perform coherent control studies in this spectral range and also for basic studies of how the spectral phase transfer occurs with different nonlinear optical laser processes. High-harmonic generation experiments based in the phase-matched frequency conversion in noble gas filled hollow fiber technique, using femtosecond pulses at 400 nm and 800 nm, were carried out during a internship at University of Colorado, USA. In this study, using pulses at 400 nm, an increase higher than one order of magnitude was obtained in the spectral region of 60 eV compared to harmonics generated, in this same region, with pulses at 800 nm. Finally, through the experience obtained during this internship, were carried out in our laboratory the development and implementation of a high harmonic generation system, based on the frequency conversion in a hollow fiber filled with argon gas. High harmonics with energies around 40eV (31nm) were obtained, and the conversion under phase-matched condition was demonstrated. Using pulses centered at 780nm, the highest harmonic order measured was 27 (28.9nm, 42.9eV), due to the spectral range limitation of monochromator used in our experiments. With the implementation of this system, becomes available at the Photonics Group a coherent light source at extreme ultraviolet wavelengths, which the unique properties have been already widely explored on a diversity of fundamental studies in basic and applied science.

O propósito principal desta tese foi a implementação e estudo da geração de pulsos laser de femtossegundos em comprimentos de onda curtos (ultravioleta profundo, ultravioleta de vácuo e ultravioleta extremo) pela técnica de conversão de frequência em capilar preenchido com gás nobre. Esta técnica de conversão de frequência tem feito diversas contribuições nas últimas décadas para o avanço da geração de pulsos laser ultracurtos nesta região espectral. O desenvolvimento de tais fontes de luz coerente possui importantes implicações nos estudos de espectroscopia resolvida no tempo em átomos, moléculas e materiais. Através da implementação da técnica de conversão de frequência com casamento de fase em capilar preenchido com gás argônio, foi possível a obtenção de pulsos de femtossegundos centrados em 260 nm e 195 nm utilizando um sistema laser amplificado Ti: safira (780 nm, 1.5 mJ, 43 fs, 1 KHz). Estes comprimentos de onda correspondem, respectivamente, aos terceiro e quarto harmônicos da frequência fundamental do laser utilizado. Pulsos centrados em 260 nm com excelente perfil espacial, energias da ordem de microjoules e durações temporais tão curtas quanto 18 fs, possibilitadas pela recompressão por um par de prismas, foram obtidos, os quais possuem grande aplicabilidade em estudos de espectroscopia não linear e resolvida no tempo. Pulsos ultracurtos centrados em 195 nm também foram obtidos. Uma investigação da influência da modulação da fase espectral do pulso laser em 780 nm sobre a geração de harmônicos através do processo do mistura de quatro ondas, também foi realizada. Desta forma, foi implementado um sistema de controle de formato de pulso laser de femtossegundo na configuração 4f baseado em um modulador espacial de luz de cristal líquido com o objetivo de modular a fase espectral dos pulsos laser em 780 nm. Este sistema de controle de formato de pulso foi então integrado ao sistema de geração de pulsos ultracurtos no ultravioleta profundo através do processo de mistura de ondas já implementado. Este estudo teve como objetivo, a obtenção da modulação indireta da fase espectral de pulsos em 260 nm através da transferência de fase espectral modulada de pulsos em 780 nm. Resultados iniciais interessantes foram obtidos utilizando uma fase espectral do tipo degrau com amplitude radianos, indicando a correta implementação do sistema. A obtenção de pulsos laser de femtossegundos no ultravioleta profundo com fase espectral modulada é de grande interesse para realização de experimentos de controle coerente nesta região espectral e também para estudos básicos de como a transferência de fase espectral ocorre para diferentes processos ópticos não lineares. Experimentos de geração de altos harmônicos pela técnica de conversão de frequência com casamento de fase em capilar preenchido com gás nobre, utilizando pulsos laser de femtossegundos em 400nm e 800nm, foram realizados durante estágio na Universidade do Colorado, EUA. Neste estudo, utilizando pulsos em 400nm, foi obtido um aumento maior que uma ordem de grandeza na região espectral em torno de 60eV em comparação com o fluxo de harmônicos gerados, nesta mesma região de energia, com pulsos centrados em 800nm. Por fim, através da experiência adquirida durante este estágio, foi desenvolvido e implementado em nosso laboratório um sistema de geração de altos harmônicos na região do ultravioleta extremo, baseado na técnica de conversão em capilar preenchido com gás argônio. Harmônicos de alta ordem na região de energia de 40ev (31nm) foram obtidos, tendo sido demonstrada a conversão sob condição de casamento de fase. Utilizando pulsos de femtossegundos em 780nm, a ordem máxima do harmônico observada foi igual a 27 (28.9nm, 42.9eV), devido a limitação da faixa espectral do monocromador utilizado em nossos experimentos. A implementação deste sistema torna disponível no Grupo de Fotônica, uma fonte de luz coerente no ultravioleta extremo, cujas propriedades únicas já tem sido amplamente exploradas em uma variedade de estudos de ciência básica e aplicada. / The main purpose of this thesis was the implementation and study of femtosecond laser pulses generation at short wavelengths (deep ultraviolet, vacuum ultraviolet end extreme ultraviolet) by the technique of frequency conversion in a hollow fiber filled with a noble gas. This frequency conversion technique has made several contributions in the last decades to improve the generation of ultrashort laser pulses in this spectral region. The development of such coherent light sources has important implications on ultrafast time-resolved spectroscopic study of atoms, molecules and materials. Through the implementation of the technique of phase matched frequency conversion in a gas filled hollow fiber using argon, it was possible to obtain femtosecond pulses centered at 260 nm and 195 nm using a Ti: sapphire amplified laser (780 nm, 1.5 mJ, 43 fs, 1 KHz). These wavelengths corresponds, respectively, to the third and fourth harmonics of the laser fundamental frequency. Pulses centered at 260 nm with excellent spatial profile, energies on the order of microjoules and temporal durations down to 18 fs, trough the compression by a prism pair, were obtained, which have wide applicability in nonlinear and time resolved optical spectroscopic studies. Ultrashort pulses at 195 nm where also obtained. An investigation of the influence of the spectral phase modulation of the laser pulses at 780 nm on the four-wave mixing nonlinear process for harmonic generation was also performed. In this way, a femtosecond pulse shaper based on a liquid crystal spatial light modulator in the 4f configuration was implemented in order to modulate the spectral phase of femtosecond pulses at 780 nm. This pulse shaper was then integrated to the system for generation of ultrashort pulses in the deep ultraviolet through the wave mixing process already implemented. This study aimed to obtain the indirect modulation of the 260 nm pulses spectral phase through the transfer of modulated spectral phase from pulses at 780 nm. Interesting initial results were obtained using a -step spectral phase, indicating the correct implementation of the system. The achievement of femtosecond pulses with modulated spectral phase in the deep ultraviolet is of great interest to perform coherent control studies in this spectral range and also for basic studies of how the spectral phase transfer occurs with different nonlinear optical laser processes. High-harmonic generation experiments based in the phase-matched frequency conversion in noble gas filled hollow fiber technique, using femtosecond pulses at 400 nm and 800 nm, were carried out during a internship at University of Colorado, USA. In this study, using pulses at 400 nm, an increase higher than one order of magnitude was obtained in the spectral region of 60 eV compared to harmonics generated, in this same region, with pulses at 800 nm. Finally, through the experience obtained during this internship, were carried out in our laboratory the development and implementation of a high harmonic generation system, based on the frequency conversion in a hollow fiber filled with argon gas. High harmonics with energies around 40eV (31nm) were obtained, and the conversion under phase-matched condition was demonstrated. Using pulses centered at 780nm, the highest harmonic order measured was 27 (28.9nm, 42.9eV), due to the spectral range limitation of monochromator used in our experiments. With the implementation of this system, becomes available at the Photonics Group a coherent light source at extreme ultraviolet wavelengths, which the unique properties have been already widely explored on a diversity of fundamental studies in basic and applied science.