Pulsos ultracurtos de laser vêm sendo usados tanto para estudar e desenvolver processos ópticos não lineares em materiais, quanto para o seu processamento visando as mais diversas aplicações tecnológicas. Neste trabalho, estas duas áreas (estudos de não linearidades e processamento de materiais) foram exploradas em distintas amostras vítreas. Primeiramente, investigamos o espectro das propriedades ópticas não lineares de terceira ordem de vidros oxifluoroboratos de chumbo (50BO 1,5 - (50-x)PbF2 - xPbO) em função da variação da composição. Os espectros não lineares foram determinados na região do visível e infravermelho próximo pela técnica de varredura-z, utilizando um sistema laser de Ti: safira (775 nm, 150 fs, 1 kHZ) juntamente com um amplificador óptico paramétrico (470 a 2000 nm). Os resultados revelaram que a formação de oxigênios não ligantes favorece a resposta óptica não linear do material; o vidro com x = 50 apresentou as maiores não linearidades de terceira ordem, com índice de refração não linear de aproximadamente 4,7 x \'10 POT.-19\' \'M POT.2\'/W para comprimentos de onda entre 470 a 1550 nm, e coeficiente de absorção de dois fótons da ordem de 1 cm/GW, na região de engrandecimento de ressonância. Estes resultados, associados com a análise do fator de mérito e medidas de limitação óptica, sugerem que esses vidros têm potencialidades para aplicações em limitadores de potência e chaves puramente ópticas. Com relação ao processamento de materiais, utilizamos a técnica de microestruturação com laser de femtossegundos para produzir microestruturas em vidros borato de chumbo e borosilicatos. Foi possível obter linhas na superfície destes materiais, cuja largura pode ser controlada no intervalo de 3 a 35 µm pela alteração das condições de focalização, energia e velocidade de varredura do feixe. Ainda, através da irradiação com pulsos de femtossegundos foi possível produzir nanopartículas de cobre, cujo tamanho está em torno de 15 nm, tanto no volume quanto na superfície de um vidro borosilicato. Observamos que existe uma combinação ótima entre a velocidade de varredura do laser e a temperatura de tratamento térmico que permite a formação dessas nanopartículas apenas nas regiões irradiadas. / Ultrashort laser pulses have been used to study and develop nonlinear optical processes in materials, as well as for their processing, aiming at several technological applications. In this work, both areas (study of optical nonlinearities and materials processing) were exploited for different glass materials. Initially, we have studied the third order nonlinear optical spectrum of lead oxifluoroborate glasses (50BO 1,5 - (50-x)PbF2 - xPbO) as a function of the composition. The optical nonlinearities were determined from the visible to the near infrared employing the Z-scan technique, using a Ti: sapphire laser system (775 nm, 150 fs, 1 kHZ) and an optical parametric amplifier (470 a 2000 nm) as excitation sources. The results revealed that the formation of non-bridging oxygens favors the nonlinear optical properties of the material; the glass with x = 50 presents the higher third order nonlinearities, exhibiting a nonlinear index of refraction of about 4,7 x \'10 POT.-19\' \'M POT.2\'/W at the range of 470 - 1550 nm, and a two-photon absorption coefficient of approximately 1 cm/GW at the resonant enhancement region. Figure of merit analysis and optical limiting measurements suggest that these glasses have potential for applications in optical limiting and all-optical switching. Regarding materials processing, we have used femtosecond laser micromachining to produce microstructures in lead borate and borosilicate glasses. We were able to produce lines with controlled widths, from 3 - 35 µm, on the surface of the glasses by changing the focus, speed and energy of the laser beam. Moreover, using femtosecond laser pulses we obtained copper nanoparticles on the surface as well as in the bulk of a borosilicate glass. We have observed that there is an optimal combination between scanning speed and annealing temperature to promote the formation of nanoparticles at the regions irradiated by the laser.

Recentemente, os lasers de pulsos ultracurtos têm sido avaliados para o preparo dos tecidos duros dentais devido à sua habilidade de reduzir os efeitos térmicos resultantes da irradiação. O objetivo deste estudo foi avaliar a efetividade de união de 3 sistemas adesivos à dentina preparada com o laser de femtossegundos (10-15 s). Para isso, 60 terceiros molares foram preparados com o laser de femtossegundos (1.450 nm; 0,3W; 100.000Hz) ou ponta diamantada, divididos em 3 subgrupos (n=10) restaurados utilizando o adesivo condicione e lave de 3 passos Optibond FL (OFL; Kerr), o autocondicionante de 2 passos Clearfil SE (CSE; Kuraray) ou o autocondicionante de 1 passo G-aenial Bond (GAB; GC). Após 1 semana de armazenamento em água, os dentes foram seccionados (1,0x1,0 mm) e testados imediatamente e após 6 meses de armazenamento. Vinte e quatro amostras adicionais foram preparadas com o laser ou ponta diamantanda conforme descrito acima. Seis amostras foram seccionadas em espécimes menores e aleatoriamente preparados para observação das características morfológicas da superfície (n=3) e subsuperfície (n=3) em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) (n=3) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) (n=3). As outras 18 amostras foram restauradas com os sistemas adesivos supramencionados, seccionados em espécimes menores e distribuídos para avaliação da interface adesiva em MEV (n=3) e padrão de nanoinfiltração após 1 semana (n=2) e 6 meses (n=2) em MET. O modelo linear de efeitos mistos (=0,05) revelou um efeito significante dos fatores adesivo, armazenagem e a interação preparo x armazenagem na resistência de união. Todos os adesivos apresentaram uma redução significante da resistência de união após 6 meses de armazenamento (p<0,0001) para ambos os tipos de preparo. Com relação ao sistema adesivo, a única diferença verificada foi o maior valor de resistência de união do GAB quando aplicado sobre as superfícies irradiadas (56,71±10,72 MPa) quando comparadas com as preparadas com ponta diamantada (43,14±14,93 MPa) após 1 semana de armazenamento. A análise de fratura revelou fraturas mistas, adesivas e coesivas em dentina para ambos os métodos de preparo com um discreto aumento do número de fraturas mistas após 6 meses de armazenamento exceto para o GAB, que apresentou principalmente fraturas adesivas e mistas. A análise em MEV revelou uma fina camada de debris sobre a superfície da dentina irradiada e a hibridização com todos os sistemas adesivos resultou num íntimo contado da interface adesiva com o substrato. A análise em MET da subsuperfície irradiada revelou fibrilas colágenas preservadas. A análise da interface adesiva revelou um aumento dos depósitos de prata na camada híbrida para todos os adesivos, após 6 meses de armazenamento, independentemente do tipo de preparo. Apenas o GAB apresentou maiores depósitos de prata após 1 semana de armazenamento para as superfícies preparadas com ponta diamantada. A irradiação com o laser de femtossegundos não reduziu a receptividade da dentina aos sistemas adesivos, resultando em valores de resistência de união similares aos obtidos com a ponta diamantada; além de uma ótima interação do substrato com os sistemas adesivos e deposições de prata similares àquelas obtidas com a ponta diamantada. / Recently, the applicability of ultrashort pulsed lasers has been studied for dental hard-tissue irradiation because of its reduced residual thermal damage. The aim of this study was to determine the bonding effectiveness of 3 contemporary adhesive systems to dentin prepared by femtosecond (10-15 sec) laser-irradiation. For this, 60 third molars were prepared either by the femtosecond laser (1450 nm; 0.3W; 100,000Hz) or by bur, randomly divided into 3 subgroups (n=10) and restored with a composite using either the 3-step etch-and-rinse adhesive Optibond FL (OFL; Kerr), the 2-step self-etch adhesive Clearfil SE (CSE; Kuraray) or the 1-step self-etch adhesive G-aenial Bond (GAB; GC). After 1-week water storage, the teeth were sectioned (1.0x1.0 mm) and half of the specimens were tested until failure using a micro-tensile bond-strength (TBS) approach. The other half was stored in water and tested after 6 months. Twenty-four additional dentin samples were exposed to the diamond bur and the laser, following the same abovementioned parameters. Three samples of each treatment were sectioned in smaller specimens in order to be characterized for surface (n=3) and cross-sectional morphological analysis using Scanning Electron Microscopy (SEM) (n=3) and Transmission Electron Microscopy (TEM) (n=3). The other eighteen samples were hybridized with the abovementioned adhesive systems, sectioned in smaller samples and distributed for evaluation of the interface under SEM (n=3) and nanoleakage distribution for 1 week (n=2) and 6 months (n=2) under TEM. Linear mixed effect model (=0.05) revealed a significant effect of the factors adhesive, storage and the interaction of preparation x storage on the TBS. All adhesives presented a significant reduction of the bond strength after 6-month storage (p<0.0001) for both preparation methods. Regarding the adhesive system, the only difference found was a significantly higher TBS of GAB to laser-irradiated (56.71±10.72 MPa) than to bur-cut dentin (43.14±14.93 MPa) after 1-week water storage. Fracture analysis showed mixed, adhesive and cohesive failures in dentin similarly for both preparation methods with a slightly increase of the mixed failures after 6-months water storage for OFL and CSE, but not for GAB that presented mainly adhesive and mixed failures. SEM disclosed a thin layer of debris on the laser-irradiated dentin surface and the hybridization with all adhesive systems resulted in a very tight interface. TEM analysis of the irradiated subsurface revealed collagen fibrils preserved and for the nanoleakage evaluation an increase of silver deposits at hybrid layer for all adhesives testes after 6-months water storage, irrespective of the preparation methods. Only the GAB presented great silver deposits even after 1-week water storage for the bur-cut preparation method. Femtosecond laser irradiation did not reduce the bonding receptiveness of dentin resulting in similar values obtained with the preparation by bur. Additionally it led to a great interaction with different adhesive systems and silver deposits comparable to those obtained with the bur-cut preparation method.

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 &plusmn; 0.6) &times; 10-20 m2/W over the spectral region from 490 nm up to 1.5 &micro;m. Single-mode waveguides written in Gorilla Glass presents propagation losses on the order of (0.35 &plusmn; 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 &plusmn; 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 &plusmn; 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 &plusmn; 0.6) &times; 10-20 m2/W, no intervalo espectral de 490 nm até 1,5 &micro;m. Os guias monomodo produzidos no Gorilla Glassapresentaram perdas de transmissão da ordem de (0,35 &plusmn; 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 &plusmn; 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 &plusmn; 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.

Recentemente, os lasers de pulsos ultracurtos têm sido avaliados para o preparo dos tecidos duros dentais devido à sua habilidade de reduzir os efeitos térmicos resultantes da irradiação. O objetivo deste estudo foi avaliar a efetividade de união de 3 sistemas adesivos à dentina preparada com o laser de femtossegundos (10-15 s). Para isso, 60 terceiros molares foram preparados com o laser de femtossegundos (1.450 nm; 0,3W; 100.000Hz) ou ponta diamantada, divididos em 3 subgrupos (n=10) restaurados utilizando o adesivo condicione e lave de 3 passos Optibond FL (OFL; Kerr), o autocondicionante de 2 passos Clearfil SE (CSE; Kuraray) ou o autocondicionante de 1 passo G-aenial Bond (GAB; GC). Após 1 semana de armazenamento em água, os dentes foram seccionados (1,0x1,0 mm) e testados imediatamente e após 6 meses de armazenamento. Vinte e quatro amostras adicionais foram preparadas com o laser ou ponta diamantanda conforme descrito acima. Seis amostras foram seccionadas em espécimes menores e aleatoriamente preparados para observação das características morfológicas da superfície (n=3) e subsuperfície (n=3) em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) (n=3) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) (n=3). As outras 18 amostras foram restauradas com os sistemas adesivos supramencionados, seccionados em espécimes menores e distribuídos para avaliação da interface adesiva em MEV (n=3) e padrão de nanoinfiltração após 1 semana (n=2) e 6 meses (n=2) em MET. O modelo linear de efeitos mistos (=0,05) revelou um efeito significante dos fatores adesivo, armazenagem e a interação preparo x armazenagem na resistência de união. Todos os adesivos apresentaram uma redução significante da resistência de união após 6 meses de armazenamento (p<0,0001) para ambos os tipos de preparo. Com relação ao sistema adesivo, a única diferença verificada foi o maior valor de resistência de união do GAB quando aplicado sobre as superfícies irradiadas (56,71±10,72 MPa) quando comparadas com as preparadas com ponta diamantada (43,14±14,93 MPa) após 1 semana de armazenamento. A análise de fratura revelou fraturas mistas, adesivas e coesivas em dentina para ambos os métodos de preparo com um discreto aumento do número de fraturas mistas após 6 meses de armazenamento exceto para o GAB, que apresentou principalmente fraturas adesivas e mistas. A análise em MEV revelou uma fina camada de debris sobre a superfície da dentina irradiada e a hibridização com todos os sistemas adesivos resultou num íntimo contado da interface adesiva com o substrato. A análise em MET da subsuperfície irradiada revelou fibrilas colágenas preservadas. A análise da interface adesiva revelou um aumento dos depósitos de prata na camada híbrida para todos os adesivos, após 6 meses de armazenamento, independentemente do tipo de preparo. Apenas o GAB apresentou maiores depósitos de prata após 1 semana de armazenamento para as superfícies preparadas com ponta diamantada. A irradiação com o laser de femtossegundos não reduziu a receptividade da dentina aos sistemas adesivos, resultando em valores de resistência de união similares aos obtidos com a ponta diamantada; além de uma ótima interação do substrato com os sistemas adesivos e deposições de prata similares àquelas obtidas com a ponta diamantada. / Recently, the applicability of ultrashort pulsed lasers has been studied for dental hard-tissue irradiation because of its reduced residual thermal damage. The aim of this study was to determine the bonding effectiveness of 3 contemporary adhesive systems to dentin prepared by femtosecond (10-15 sec) laser-irradiation. For this, 60 third molars were prepared either by the femtosecond laser (1450 nm; 0.3W; 100,000Hz) or by bur, randomly divided into 3 subgroups (n=10) and restored with a composite using either the 3-step etch-and-rinse adhesive Optibond FL (OFL; Kerr), the 2-step self-etch adhesive Clearfil SE (CSE; Kuraray) or the 1-step self-etch adhesive G-aenial Bond (GAB; GC). After 1-week water storage, the teeth were sectioned (1.0x1.0 mm) and half of the specimens were tested until failure using a micro-tensile bond-strength (TBS) approach. The other half was stored in water and tested after 6 months. Twenty-four additional dentin samples were exposed to the diamond bur and the laser, following the same abovementioned parameters. Three samples of each treatment were sectioned in smaller specimens in order to be characterized for surface (n=3) and cross-sectional morphological analysis using Scanning Electron Microscopy (SEM) (n=3) and Transmission Electron Microscopy (TEM) (n=3). The other eighteen samples were hybridized with the abovementioned adhesive systems, sectioned in smaller samples and distributed for evaluation of the interface under SEM (n=3) and nanoleakage distribution for 1 week (n=2) and 6 months (n=2) under TEM. Linear mixed effect model (=0.05) revealed a significant effect of the factors adhesive, storage and the interaction of preparation x storage on the TBS. All adhesives presented a significant reduction of the bond strength after 6-month storage (p<0.0001) for both preparation methods. Regarding the adhesive system, the only difference found was a significantly higher TBS of GAB to laser-irradiated (56.71±10.72 MPa) than to bur-cut dentin (43.14±14.93 MPa) after 1-week water storage. Fracture analysis showed mixed, adhesive and cohesive failures in dentin similarly for both preparation methods with a slightly increase of the mixed failures after 6-months water storage for OFL and CSE, but not for GAB that presented mainly adhesive and mixed failures. SEM disclosed a thin layer of debris on the laser-irradiated dentin surface and the hybridization with all adhesive systems resulted in a very tight interface. TEM analysis of the irradiated subsurface revealed collagen fibrils preserved and for the nanoleakage evaluation an increase of silver deposits at hybrid layer for all adhesives testes after 6-months water storage, irrespective of the preparation methods. Only the GAB presented great silver deposits even after 1-week water storage for the bur-cut preparation method. Femtosecond laser irradiation did not reduce the bonding receptiveness of dentin resulting in similar values obtained with the preparation by bur. Additionally it led to a great interaction with different adhesive systems and silver deposits comparable to those obtained with the bur-cut preparation method.

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

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 &plusmn; 0.6) &times; 10-20 m2/W over the spectral region from 490 nm up to 1.5 &micro;m. Single-mode waveguides written in Gorilla Glass presents propagation losses on the order of (0.35 &plusmn; 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 &plusmn; 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 &plusmn; 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 &plusmn; 0.6) &times; 10-20 m2/W, no intervalo espectral de 490 nm até 1,5 &micro;m. Os guias monomodo produzidos no Gorilla Glassapresentaram perdas de transmissão da ordem de (0,35 &plusmn; 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 &plusmn; 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 &plusmn; 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 has been an essential tool for nonlinear optics and materials processing at micrometer scale, in which chalcogenide and heavy metal oxide glasses have received special attention not only for their high third-order optical nonlinearities but also due to their transparency up to the infrared regions. Although metallic nanoparticles are expected to improve the optical properties of glasses, there are no enough experimental researches about their influence on the nonlinear refractive index (n2) and nonlinear absorption coefficient (&#946), moreover at femtosecond regime. Based on the scientific and technological interests on highly nonlinear glasses, the goal of this thesis was to apply femtosecond laser pulses in two main domains: (i) at the basis of fundamental science, to study the effect of metallic nanoparticles in the third-order nonlinear optical properties of glasses; and (ii) at the field of applied science, aiming the development of photonic devices, performed by the fabrication of 3D optical waveguides containing metallic nanoparticles. This aim was achieved through the techniques of z-scan and femtosecond laser micromachining, which provided the nonlinear optical characterization and waveguides development, respectively. First, we analyzed the third-order nonlinear optical properties of the GeO2-Bi2O3 glass containing gold nanoparticles, which promoted saturation of the absorption in the region of the surface plasmon resonance band. On the other hand, these gold nanoparticles did not affect the n2 that kept constant in the wavelength range of 480 - 1500 nm. The same features were investigated for a Pb2P2O7-WO3 matrix doped with copper nanoparticles. In contrast to the gold doped ones, these samples showed a slight enhancement of the nonlinear refractive index when the energy of the excitation approaches the surface plasmon band. We also found out that the Pb2P2O7-WO3 matrix is a good host to grow silver nanoparticles by fs-laser micromachining. Similarly, copper nanoparticles were produced in a borosilicate glass using single-step laser processing. The explanation for metallic nanoparticle formation is addressed in this thesis, as well as, its application in waveguides. Thus, we demonstrated the functionality of optical waveguides containing Cu0 or Ag0 nanoparticles. Still based on the technological interests on glasses doped with nanoparticles, we showed a single-step synthesis of silver sulfide nanoparticles in chalcogenide glass, which was carried in partnership with researches at Princeton University. The materials investigated in this PhD work are of great importance for photonics, in which the synthesis of nanoparticles, fabrication of waveguides and nonlinear optical characterization have been performed. / O laser de femtossegundos tem sido uma ferramenta essencial tanto para a óptica não-linear quanto para o processamento de materiais na escala micrométrica, na qual os vidros calcogenetos e óxidos de metais pesados têm recebido atenção especial, não apenas pelas suas elevadas não-linearidades ópticas de terceira ordem, mas também devido à sua transparência até o infravermelho. Embora seja esperado que nanopartículas metálicas melhorem as propriedades ópticas dos vidros, não existe investigações experimentais suficientes sobre a sua influência no índice de refração não linear (n2) e no coeficiente de absorção linear (&#946), sobretudo no regime de femtossegundos. Com base nos interesses científicos e tecnológicos de vidros altamente não-lineares, o objetivo deste trabalho foi aplicar pulsos laser de femtossegundos em dois domínios principais: (i) na campo da ciência fundamental, para estudar o efeito de nanopartículas metálicas nas propriedades ópticas não lineares de terceira ordem destes materiais; e (ii) no domínio da ciência aplicada, visando o desenvolvimento de dispositivos fotônicos, realizado pelo fabricação de guias de onda tridimensionais contendo nanopartículas metálicas. Este objetivo foi alcançado através das técnicas de varredura-z e microfabricação com laser de femtossegundos, que proporcionaram a caracterização óptica não-linear e o desenvolvimento de guias de onda, respectivamente. Primeiramente, foram investigadas as propriedades ópticas não-lineares de terceira ordem do vidro GeO2-Bi2O3 contendo nanopartículas de ouro, as quais promoveram saturação da absorção na região da banda de ressonância de plásmon. Por outro lado, essas nanopartículas não afetaram o n2, que se manteve constante no intervalo de comprimento de onda 480 - 1500 nm. As mesmas características foram investigadas para uma matriz Pb2P2O7-WO3 dopada com nanopartículas de cobre. Em contraste com os vidros dopados com ouro, estas amostras apresentaram um ligeiro aumento do índice de refração não linear quando a energia de excitação está próxima da banda de ressonância de plásmon. Observou-se ainda que a matriz Pb2P2O7-WO3 é ideal para a obtenção de nanopartículas de prata através da microfabricação com laser de femtossegundos. Similarmente, nanopartículas de cobre foram produzidas em vidro de borosilicato usando somente uma varredura a laser. A explicação para a formação de nanopartículas metálicas é abordada nesta tese, bem como sua aplicação em guias de onda. Deste modo, demonstrou-se a funcionalidade de guias de onda ópticos compostos por nanopartículas de Cu0 e Ag0. Ainda com base nos interesses tecnológicos em vidros dopados com nanopartículas, demonstrou-se uma síntese de nanopartículas de sulfeto de prata em vidro calcogeneto usando o processamento de única etapa, realizada em parceria com pesquisadores da Universidade de Princeton. Os materiais investigados neste trabalho de doutorado são de grande importância para aplicações em fotônica, em que a síntese de nanopartículas, a fabricação de guias de onda e a caracterização óptica não-linear foram realizadas.

Orientador: Flavio Caldas da Cruz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T02:45:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nogueira_GiovanaTrevisan_D.pdf: 19393516 bytes, checksum: a3b51900ea17f278fbdc63e608d828d4 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: No final da década de 90, pentes de freqüências ópticas baseados em lasers de Ti:safira de modos travados tornaram-se uma importante ferramenta na área de metrologia. Eles têm sido usados, por exemplo, em medidas diretas de freqüências de várias centenas de THz e em relógios atômicos ópticos. Para a implementação de dois sistemas de pentes de freqüências ópticas, desenvolvemos neste trabalho dois lasers de Ti:safira de femtossegundos de alta taxa de repetição, que usam espelhos de varredura (chirped mirros) no lugar de prismas para compensar a dispersão em velocidade de grupo. Um dos lasers tem taxa de repetição em 770 MHz que pode ser facilmente ajustada entre 750 MHz and 1 GHz. A dispersão total da cavidade é de -60 fs2 , produzindo um espectro centrado em 780 nm com largura a meia altura em torno de 10 nm e pulsos de 150 fs. Este laser teve seu espectro alargado por duas fibra de microestrutura, cobrindo um intervalo de 510 à 1100 nm. O outro laser possui cavidade com taxa de repetição sintonizável entre 1 e 2,12 GHz, e um espectro que se estender de de 585 até 1200 nm a -20 dB abaixo do máximo em 986 nm sem o uso de fibra de microestrutura.A cavidade do laser tem dispersão total próxima de zero, porém com oscilações entre -50 a +100 fs2 entre 700 nm e 900 nm, que foi medida por interferometria de luz branca. Nós mostramos que cerca de 17 % (76 %) da potência intracavidade (de saída) é gerada basicamente por efeitos não lineares em passagem única no cristal de Ti:safira, observada na região verde do espectro e entre 960 nm e 1200 nm, fora da banda da cavidade laser e onde o ganho do cristal de Ti:safira é baixo. Ambos os lasers tiveram suas taxas de repetição medidas e estabilizadas em relação a osciladores estáveis, podendo ser sintonizados em um intervalo de 30 kHz através do oscilador de referência. Construímos interferômetros de Michelson e Mach-Zender para a medida do deslocamento entre onda portadora e envelope do pulso do sistema do laser cujo espectro é ampliado pela fibra. O batimento entre freqüências do pente próximas a 520 nm e o segundo harmônico da parte do espectro em 1040 nm é medido em um fotodetector rápido. Estes sistemas serão inicialmente utilizado em um relógio atômico óptico baseado na transição de intercombinação de átomos de cálcio frios e aprisionados. Entretando, além de aplicações em metrologia de tempo e freqüência, os pentes de freqüências ópticas podem ser ferramentas atrativas para uso em espectroscopia atômica e molecular de precisão e estudos de dinâmicas rápidas que exploram a combinação de alta resolução e cobertura espectral larga fornecidas pelo pente de freqüências / Abstract: Optical frequency combs based on femtosecond Ti:sapphire lasers and introduced at the end of the 90s have revolutionized the optical metrology field. They have allowed ultraprecise optical spectroscopy, by direct measurement of frequencies of several hundred THz, and the development of optical atomic clocks . To implement optical frequency combs, we have to stabilize both the repetition rate and the carrier-to-envelope oÿset frequency of the femtosecond laser. We have developed two versions of optical frequency combs based on high-repetition rate femtosecond Ti:sapphire lasers, which use chirped mirrors instead of prisms for compensating the group velocity dispersion. The combs will be initially used in an optical atomic clock based on the intercombination transition of cold and trapped calcium atoms. One of our fsec Ti:sapphire lasers has a repetition rate that can be easily adjusted between 750 MHz and 1 GHz. The total dispersion of the cavity is -60 fs2 . It produces pulses of 150 fs with a spectrum centered at 780 nm, with a width of 10 nm. The spectrum of this laser has been broadened with a microstructure fiber, and covers an optical octave extending from 520 and 1040 nm. The other fsec Ti:sapphire laser has a repetition rate that can be changed from 1 to 2.12 GHz, and a spectrum that extends from 585 nm to 1200 nm, without use of microstructure fibers. These wavelengths are points in the spectrum at -20 dB below the maximum at 986 nm. The laser cavity has total intracavity dispersion near zero, but with oscillations from -50 to +100 fs2 between 700 to 900 nm, that have been measured by white light interferometry. We showed that 17 % (76 %) of the intracavity (output) power is generated by nonlinear effects in a single pass through the crystal, and with a spectral distribution concentrated between 960 nm and 1200 nm, thus outside the laser cavity bandwidth and where the Ti:sapphire gain is lower. Emission in the green has also been observed, which is also outside the laser cavity bandwidth and the emission gain profile of the Ti:sapphire crystal. The repetition rate of both lasers have been phase-locked to stable microwave oscillators, and could also be frequency tuned in a range of 30 kHz with respect to the reference oscillator. We have built f-2f interferometers to measure the carrier-to-envelope oÿset frequency of the laser whose spectrum is broadened by the microstructure fiber. Comb frequencies near 540 nm are heterodyned in a fast photodetector with the second harmonic of the comb light at 1080 nm. In addition to applications in optical time and frequency metrology, the optical frequency combs should be attractive tools for use in precision atomic and molecular spectroscopy, coherent control which exploits the coherent accumulation effect, and studies of fast time dynamics that take advantage of the combination of the ultra high resolution and broadband spectral coverage provided by the comb / Doutorado / Ótica / Doutor em Ciências

Orientador: René Alfonso Nome Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:25:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferbonink_GuilhermeFerreira_M.pdf: 3339040 bytes, checksum: ef20418e159acb6b4683d177155e28be (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Nos últimos anos, várias descobertas vêm sendo realizada sobre como características intrínsecas de um dado sistema podem afetar a transferência eletrônica de energia. Um dos objetivos desta pesquisa é estudar experimentalmente como a estrutura vibrônica pode afetar a transferência eletrônica de energia em moléculas orgânicas segundo o modelo de Förster. Utilizando um sistema molecular com sobreposição espectral sobre bandas vibrônicas bem definidas, podemos verificar experimentalmente que o abaixamento da intensidade de emissão do doador unicamente nos comprimentos de onda de absorção do receptor caracteriza transferência de energia pelo modelo emissivo. Abaixamento da intensidade integrada de emissão caracteriza transferência de energia pelo mecanismo de Förster. A taxa de transferência de energia pelo mecanismo de Förster foi mais significativa quando a sobreposição espectral ocorre nas bandas vibrônica 0-1,0-2 ao invés da banda 0-0. Na segunda parte do trabalho realizado, aplicamos a técnica de absorção transiente para o estudo de nano prismas de ouro depositados sobre dois substratos diferentes. Neste trabalho, nós descrevemos a preparação e caracterização de matrizes isoladas de nanoprismas triangulares de ouro sobre o vidro contendo uma camada de ITO por litografia de nanoesferas. O espectro de absorção linear de Au / vidro e Au / ITO / vidro exibe ressonância de plásmon de superfície em 800 nm e 870 nm, com um deslocamento para o vermelho de 70 nm associado ao índice de refração de ITO. Foram realizadas medidas de espectroscopia de uma única cor de bombeio e prova com resolução temporal de 100 fs em comprimentos de onda inferiores a ressonância, em ressonância, e acima da ressonância de plásmon de superfície para cada um destes dois sistemas. A dinâmica ultra-rápida em ambos os sistemas pode ser bem descrita com um modelo que contabiliza o espalhamento elétron-elétron, o acoplamento elétron-fônon, e oscilações acústicas no término do resfriamento da estrutura de ouro. Os resultados para as nanopartículas de ouro, para cada um dos comprimentos de onda são bem descritos como tendo índice de refração complexo com dependência do comprimento de onda, que modula os sinais de bombeio e prova medidos / Abstract: Structure-property relationships for electronic energy transfer have been investigated in recent years. One of the goals of the present research is to perform an experimental study vibronic structure effects in electronic energy transfer between small organic molecules according to Forster¿s model. We have chosen organic molecules with well-defined spectral overlap between vibronic bands, which enabled us to experimentally characterize a decrease in donor emission intensity at the acceptor absorption wavelengths thereby indicating radiative energy transfer. A decrease in the emission integrated intensity characterizes energy transfer by the Forster mechanism. Forster energy transfer rates were higher when the spectral overlap involved 0-1 and 0-2 vibronic bands rather than 0-0 band. In the second part of this work, we have employed ultrafast transient absorption spectroscopy to investigated gold nano prisms deposited over two different substrates: Au over glass (Au/glass) and Au over ITO deposited on glass (Au/ITO/glass). In the present work, we describe the preparation and characterization of these two samples employing the nanosphere lithography technique. The linear absorption spectra of Au/glass and Au/ITO/glass respectively show surface plasmon resonances at 800 nm and 870 nm, with a 70nm redshift attributed to the ITO refractive index. We have performed femtosecond one-color pump-probe measurements with 100 fs time resolution below the surface plasmon resonance, at resonance, and above the surface plasmon resonance for each of these two systems. For both systems, the ultrafast dynamics can be well described with a model that takes into account electron-electron scattering, electron-phonon coupling, phonon-phonon coupling and acoustic damping. The wavelength-dependence observed can be explained in terms of the sample frequency-dependent complex refractive index which modulates the measured pump-probe signals / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

A influência das variáveis associadas ao laser como a fluência, o comprimento de onda, e a duração do pulso, assim como as relacionadas às propriedades das amostras, como a distribuição do tamanho das partículas e as características químicas da matriz, foram avaliadas visando à determinação quantitativa de macro- (P, K, Ca, Mg) e micronutrientes (Cu, Fe, Mn, Zn, B) em pastilhas de materiais vegetais por espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS). Os efeitos da distribuição do tamanho das partículas e da fluência do laser foram investigados a partir da análise de amostras peneiradas (150-20 µm) empregando-se um sistema LIBS, em regime temporal de nanossegundos (ns-LIBS), montado com um laser de Nd:YAG a 1064 nm (pulsos de 5 ns e 360 mJ)e um espectrômetro com óptica Echelle e detector ICCD. Observou-se um aumento na sensibilidade e na precisão das medições com a diminuição do tamanho das partículas usadas no preparo das pastilhas, e uma diminuição dos efeitos de matriz causados por diferenças no tamanho das partículas, quando pastilhas preparadas com partículas < 75 µm foram analisadas com pulsos de 50 J cm-2. Verificou-se uma melhora significativa na exatidão das medições de Mg, Fe, Mn e Zn feitas em um conjunto de pastilhas de folhas de cana-de-açúcar (partículas < 75 µm) empregando-se esta fluência. Em uma segunda etapa, observou-se que variações no comprimento de onda do laser de Nd:YAG (1064, 532, 355 e 266 nm) não influenciaram de maneira significativa a precisão e exatidão das medições em pastilhas de folhas de cana-de-açúcar, obtendo-se correlações lineares entre as intensidades dos sinais de emissão e as correspondentes frações de massa dos analitos. Variações no comprimento de onda do laser de Nd:YAG não afetaram a análise de um conjunto heterogêneo de amostras, composto por pastilhas de folhas de plantas de diferentes espécies, como soja, cana-de-açúcar, milho, citros, café, por exemplo, por ns-LIBS. No entanto, diferentemente do observado para o conjunto de pastilhas de folhas de cana-de-açúcar, observou-se, uma baixa correlação (r cal < 0,90) entre as frações de massa de Ca, Mg, P, Cu, Fe, Mn e Zn determinadas por ns-LIBS e os valores de referência, o que demonstra a baixa robustez de ns-LIBS frente às variações na composição química das matrizes. Posteriormente, analisou-se este conjunto heterogêneo de amostras com sistema LIBS, em regime temporal de femtossegundos (fs-LIBS), montado com laser de Ti:Safira (pulsos de 60 fs e 1,65 mJ) e espectrômetro com óptica Czerny-Turner e ICCD. Demonstrou-se que o uso de pulsos em regime de fs proporcionou calibrações e validação menos dependentes da composição química das matrizes. As frações de massa de Ca, Mg, P, Fe e Mn previstas por fs-LIBS foram estatisticamente concordantes com os valores de referência, independentemente do modelo de calibração usado. Além disso, o uso de calibração multivariada melhorou a capacidade preditiva de ns-LIBS, assemelhando-se à de fs-LIBS. Concluiu-se que o emprego de fs-LIBS foi a estratégia mais robusta e que ofereceu maior flexibilidade à variabilidade matricial / The influence of laser properties, such as fluence, wavelength and pulse duration, as well as sample characteristics, such as particle size distribution and chemical matrix composition, was evaluated aiming at the quantitative determination of macro- (P, K, Ca, Mg) and micronutrients (Cu, Fe, Mn, Zn, B) in pellets of plant materials by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Firstly, the effects of particle size distribution and laser fluence on the analysis of pellets (test samples) prepared with sieved samples (from 150 to 20 µm apertures) were investigated. Experiments were carried out with a nanosecond LIBS (ns-LIBS) system by using a Q-switched Nd:YAG laser at 1064 nm (5 ns; 360 mJ) and a spectrometer with Echelle optics and intensified charge-coupled device (ICCD) detector. Results indicated that smaller particles yielded to sensitivities\' enhancement and attained better measurements\' precision. Moreover, matrix effects were reduced by analyzing pellets prepared from < 75 ?m sieved fractions and pulses of 50 J cm-2. In addition, there was a significant improvement on accuracy of Mg, Fe, Mn and Zn measurements in a set of test samples of sugarcane leaves by using this fluence. In a second experiment, variations in the Nd:YAG laser wavelength (1064, 532, 355 and 266 nm) did not affect the analysis of test samples of sugarcane leaves, and provided linear correlations between emission signal intensities and corresponding analytes mass fractions. In addition, variations within Nd:YAG laser wavelength did not affect the analysis of a heterogeneous sample set composed by pellets of leaves from different crops, such as soy, sugarcane, maize, citrus and coffee by ns-LIBS. However, in contrast to previous findings, the univariate calibration models for ns-LIBS presented lower linearity (r cal < 0.90) for Ca, Mg, P, Cu, Fe, Mn and Zn, no matter the laser wavelength used for the analysis. These circumstances reflect the low robustness of ns-LIBS to variations within matrix chemical composition among test samples. Afterwards, test samples from different crops were analyzed by a femtosecond LIBS (fs-LIBS) by using a Ti:Sapphire laser, including a mode-locked oscillator and an ultrafast amplifier (60 fs; 1.65 mJ per pulse), and a spectrometer with Czerny-Turner optics and ICCD. Findings indicated that the pulse duration was a decisive variable for providing accurate quantification of nutrients in different plant species, which present substantial differences in terms of matrix chemical composition. Close agreement between Ca, Mg, P, Fe and Mn mass fractions predicted by fs-LIBS and those determined by ICP OES was evidenced, whatever the modeling approach used. Contrarily, for ns-LIBS analysis of test samples from different crops, only the use of multivariate partial least squares (PLS) regression appears capable for resolving the non-linear transformations of the emission intensities according to the physical mechanisms governing this temporal regime of ablation. Thus, when using multivariate modeling, the figures-of merit reflecting the predictive capabilities of ns-LIBS resemble to those achieved by fs-LIBS. Either way, fs-LIBS is a more robust approach that better offers larger flexibility to the matrix variability