Um Amplificador Paramétrico Óptico (optical parametric amplifier - OPA) é uma fonte de luz coerente, de alta qualidade e sintonizável, baseada em processos ópticos não-lineares de segunda ordem. Alguns modelos possuem largura de banda estreita e um amplo intervalo de sintonia, podendo alcançar regiões que vão desde o ultravioleta até o infravermelho médio. A nossa motivação para construir este amplificador paramétrico óptico é sua utilização em experimentos de espectroscopia vibracional de superfícies através do processo óptico não-linear de segunda ordem, geração de soma de frequências (sum-frequency generation - SFG), que é uma técnica que exige fontes sintonizáveis no infravermelho médio e com altas intensidades de pico e largura de banda estreita. O objetivo desse trabalho foi projetar, montar e testar um amplificador paramétrico óptico capaz de produzir pulsos sintonizáveis de alta energia no infravermelho médio (λ ~ 2,5 a 10 μm) a partir de um laser de bombeio que fornece pulsos de 25 ps, com alta energia em λ = 1064 nm. Para obter-se uma geração de infravermelho bastante eficiente, foi proposto um projeto inovador para amplificadores paramétricos de picossegundos, utilizando-se a geração de supercontínuo de luz branca como feixe sinal do estágio de amplificação paramétrica. O pulso de bombeio (λ = 1064 nm) é dividido em duas partes: a primeira, de menor energia, é utilizada para gerar um pulso de alta largura espectral no infravermelho próximo (supercontínuo de luz branca de picossegundos). Uma fração espectral desse pulso é selecionada através de um monocromador e utilizada como semente do estágio de amplificação paramétrica. O cristal amplificador paramétrico (sulfeto de prata e gálio, AgGaS2) é então bombeado pelo restante do pulso de bombeio e simultaneamente amplifica a semente sintonizável no infravermelho próximo e gera um novo pulso de frequência complementar no infravermelho médio. Foram testados vários meios para geração de supercontínuo, mas os melhores resultados foram obtidos em uma cubeta de 10 cm de comprimento com uma mistura de água e água deuterada (3 % em volume de H2O em D2O) e em uma fibra fotônica não-linear com 2 m de comprimento. Usando o supercontínuo como feixe semente, observou-se amplificação paramétrica no caso do feixe gerado na fibra fotônica com um ganho de 260 vezes, mas não com o feixe gerado na mistura de água/água deuterada, presumivelmente pela maior instabilidade desse supercontínuo. / An Optical Parametric Amplifier (OPA) is a tunable light source of high quality, coherent radiation, based on second-order nonlinear optical processes. Some models have a narrow spectral bandwidth and a tuning range from the ultraviolet to the mid-infrared. The motivation for building this optical parametric amplifier is its use in vibrational spectroscopy of surfaces by a second-order nonlinear optical process, sum-frequency generation (SFG), which is a technique that requires tunable sources in the mid-infrared with narrow bandwidth and high peak intensities. The purpose of this work is to design, implement and test an OPA to generate tunable high energy pulses tuneable in the mid-infrared (λ ~ 2.5 to 10 μm) from a pumping laser that provides 25 ps pulses with high energy at λ = 1064 nm. For an efficient mid-infrared generation, we propose an innovative design for picosecond parametric amplifiers, using the near infrared portion of a white-light supercontinuum pulse as the seed beam for the parametric amplifier. The pump pulse (λ = 1064 nm) is divided into two parts: the first one, with lower energy, generates a high spectral width pulse in the near infrared (white-light supercontinuum picosecond pulse). A spectral fraction of this pulse is selected through a monochromator and is used as seed for the parametric amplification stage. The second part of the laser beam pumps the parametric amplifier crystal (silver gallium sulfide, AgGaS2) which simultaneously amplifies the tunable seed beam in the near infrared and generates a new pulse with complementary frequency in the mid-infrared. Several media were tested for supercontinuum generation, but the best results were obtained with a 10 cm long cuvette with a mixture of water and deuterated water (3 % volume of H2O in D2O) and with a 2 m long nonlinear photonic crystal fiber. Using the supercontinuum as a seed beam, we have obtained parametric amplification of the seed generated by the photonic fiber with a gain of 260 times, but not of the beam generated by the water mixture, presumably because of its significantly higher instability.

O presente trabalho está fundamentado no desenvolvimento de uma metodologia e/ou uma tecnologia de obtenção e caracterização de filtros ópticos de interferência de banda passante variável [C.M. da Silva, 2010] e de banda de corte variáveis, constituídos por refletores dielétricos multicamadas de filmes finos intercalados por cavidades de Fabry-Perot não planares com espessuras linearmente variáveis, que apresentam a propriedade do deslocamento linear da transmitância máxima espectral em função da posição, isto é, um Filtro de Interferência Variável (FIV). Este método apresenta novas e abrangentes possibilidades de confecção de filtros ópticos de interferência variável: lineares ou em outras formas desejadas, de comprimento de onda de corte variável (passa baixa ou alta) e filtros de densidade neutra variável, através da deposição de metais, além de aplicações em uma promissora e nova área de pesquisa na deposição de filmes finos não uniformes. A etapa inicial deste desenvolvimento foi o estudo da teoria dos filtros ópticos dielétricos de interferência para projetar e construir um filtro óptico banda passante convencional de um comprimento de onda central com camadas homogêneas. A etapa seguinte, com base na teoria óptica dos filmes finos já estabelecida, foi desenvolver a extensão destes conhecimentos para determinar que a variação da espessura em um perfil inclinado e linear da cavidade entre os refletores de Bragg é o principal parâmetro para produzir o deslocamento espacial da transmitância espectral, possibilitando o uso de técnicas especiais para se obter uma variação em faixas de bandas de grande amplitude, em um único filtro. Um trabalho de modelagem analítica e análise de tolerância de espessuras dos filmes depositados foram necessários para a seleção da estratégia do \"mascaramento\" seletivo do material evaporado formado na câmara e-Beam (elétron-Beam) com o objetivo da obtenção do filtro espectral linear variável de características desejadas. Para tanto, de acordo com os requisitos de projeto, foram necessárias adaptações em uma evaporadora por e-Beam para receber um obliterador mecânico especialmente projetado para compatibilizar os parâmetros das técnicas convencionais de deposição com o objetivo de se obter um perfil inclinado, perfil este previsto em processos de simulação para ajustar e calibrar a geometria do obliterador e se obter um filme depositado na espessura, conformação e disposição pretendidos. Ao final destas etapas de modelagem analítica, simulação e refinamento recorrente, foram determinados os parâmetros de projeto para obtenção de um determinado FIV (Filtro de Interferência Variável) especificado. Baseadas nos FIVs muitas aplicações são emergentes: dispositivos multi, hiper e ultra espectral para sensoriamento remoto e análise ambiental, sistemas Lab-on-Chip, biossensores, detectores chip-sized, espectrofotometria de fluorescência on-chip, detectores de deslocamento de comprimento de onda, sistemas de interrogação, sistemas de imageamento espectral, microespectrofotômetros e etc. No escopo deste trabalho se pretende abranger um estudo de uma referência básica do emprego do (FIV) filtro de interferência variável como detector de varredura de comprimento de ondas em sensores biológicos e químicos compatível com pós processamento CMOS. Um sistema básico que é constituído por um FIV montado sobre uma matriz de sensores ópticos conectada a um módulo eletrônico dedicado a medir a intensidade da radiação incidente e as bandas de absorção das moléculas presentes em uma câmara de detecção de um sistema próprio de canais de microfluidos, configurando-se em um sistema de aquisição e armazenamento de dados (DAS), é proposto para demonstrar as possibilidades do FIV e para servir de base para estudos exploratórios das suas diversas potencialidades que, entre tantas, algumas são mencionadas ao longo deste trabalho. O protótipo obtido é capaz de analisar fluidos químicos ou biológicos e pode ser confrontado com os resultados obtidos por equipamentos homologados de uso corrente. / This work presents the development of a method to obtain and characterize a variable interference optical band pass filter, made up of a number of thin films forming dielectrical reflectors intercalated by non flat Fabry-Perot cavities whose thickness varies linearly. These filters present the propriety of a linear variation in the maximum spectral transmittance as a function of the position in the filter, for this reason this is called Variable Interference Filter (VIF). This method allows of manufacturing linear interference filters or any other function desired, variable cut wavelength (low or high pass) and variable neutral density filters by means of metallic depositions. The first step in this work was to design and built a conventional filter, with homogeneous layers and a fixed central wavelength. The following step was, using basics of the Optical theory of thin films, introduce the variation in the thickness of the layers in a linear inclined outline. Accordingly with the design requirements, it was made some adaptations in an e-beam evaporator (electron-beam), adding a mechanical obliterator adjusted with series of depositions and characterizations of a single layers in order to find a linearly inclined outline. In the end of this step it was designed and built the specified VIF. It is also described a possible application of this VIF: a multispectral device for biological analysis. Among many applications, others can be cited, such as: Lab-on-Chip systems, biosensors chip-sized detectors, on-chip fluorescence spectrometry, shift wavelength detectors, interrogation systems, environmental analysis systems, etc. The scope of this work covers the study of variable interference filters as a wavelength scanning detector in biological and chemical sensors compatible with CMOS post-processing. To demonstrate the viability, and enable the exploration of other applications, it is proposed a basic system composed of a VIF, mounted on top of a matrix of sensors connected to a dedicated electronic module, to measure and store the intensity of the incident radiation data and the absorption spectra of molecules present in a detection chamber of a microfluidic system. Other applications of this basic structure are mentioned. This prototype is aimed to analyze biological fluids and results will be compared with results obtained using standard commercial instruments.

O presente trabalho está fundamentado no desenvolvimento de uma metodologia e/ou uma tecnologia de obtenção e caracterização de filtros ópticos de interferência de banda passante variável [C.M. da Silva, 2010] e de banda de corte variáveis, constituídos por refletores dielétricos multicamadas de filmes finos intercalados por cavidades de Fabry-Perot não planares com espessuras linearmente variáveis, que apresentam a propriedade do deslocamento linear da transmitância máxima espectral em função da posição, isto é, um Filtro de Interferência Variável (FIV). Este método apresenta novas e abrangentes possibilidades de confecção de filtros ópticos de interferência variável: lineares ou em outras formas desejadas, de comprimento de onda de corte variável (passa baixa ou alta) e filtros de densidade neutra variável, através da deposição de metais, além de aplicações em uma promissora e nova área de pesquisa na deposição de filmes finos não uniformes. A etapa inicial deste desenvolvimento foi o estudo da teoria dos filtros ópticos dielétricos de interferência para projetar e construir um filtro óptico banda passante convencional de um comprimento de onda central com camadas homogêneas. A etapa seguinte, com base na teoria óptica dos filmes finos já estabelecida, foi desenvolver a extensão destes conhecimentos para determinar que a variação da espessura em um perfil inclinado e linear da cavidade entre os refletores de Bragg é o principal parâmetro para produzir o deslocamento espacial da transmitância espectral, possibilitando o uso de técnicas especiais para se obter uma variação em faixas de bandas de grande amplitude, em um único filtro. Um trabalho de modelagem analítica e análise de tolerância de espessuras dos filmes depositados foram necessários para a seleção da estratégia do \"mascaramento\" seletivo do material evaporado formado na câmara e-Beam (elétron-Beam) com o objetivo da obtenção do filtro espectral linear variável de características desejadas. Para tanto, de acordo com os requisitos de projeto, foram necessárias adaptações em uma evaporadora por e-Beam para receber um obliterador mecânico especialmente projetado para compatibilizar os parâmetros das técnicas convencionais de deposição com o objetivo de se obter um perfil inclinado, perfil este previsto em processos de simulação para ajustar e calibrar a geometria do obliterador e se obter um filme depositado na espessura, conformação e disposição pretendidos. Ao final destas etapas de modelagem analítica, simulação e refinamento recorrente, foram determinados os parâmetros de projeto para obtenção de um determinado FIV (Filtro de Interferência Variável) especificado. Baseadas nos FIVs muitas aplicações são emergentes: dispositivos multi, hiper e ultra espectral para sensoriamento remoto e análise ambiental, sistemas Lab-on-Chip, biossensores, detectores chip-sized, espectrofotometria de fluorescência on-chip, detectores de deslocamento de comprimento de onda, sistemas de interrogação, sistemas de imageamento espectral, microespectrofotômetros e etc. No escopo deste trabalho se pretende abranger um estudo de uma referência básica do emprego do (FIV) filtro de interferência variável como detector de varredura de comprimento de ondas em sensores biológicos e químicos compatível com pós processamento CMOS. Um sistema básico que é constituído por um FIV montado sobre uma matriz de sensores ópticos conectada a um módulo eletrônico dedicado a medir a intensidade da radiação incidente e as bandas de absorção das moléculas presentes em uma câmara de detecção de um sistema próprio de canais de microfluidos, configurando-se em um sistema de aquisição e armazenamento de dados (DAS), é proposto para demonstrar as possibilidades do FIV e para servir de base para estudos exploratórios das suas diversas potencialidades que, entre tantas, algumas são mencionadas ao longo deste trabalho. O protótipo obtido é capaz de analisar fluidos químicos ou biológicos e pode ser confrontado com os resultados obtidos por equipamentos homologados de uso corrente. / This work presents the development of a method to obtain and characterize a variable interference optical band pass filter, made up of a number of thin films forming dielectrical reflectors intercalated by non flat Fabry-Perot cavities whose thickness varies linearly. These filters present the propriety of a linear variation in the maximum spectral transmittance as a function of the position in the filter, for this reason this is called Variable Interference Filter (VIF). This method allows of manufacturing linear interference filters or any other function desired, variable cut wavelength (low or high pass) and variable neutral density filters by means of metallic depositions. The first step in this work was to design and built a conventional filter, with homogeneous layers and a fixed central wavelength. The following step was, using basics of the Optical theory of thin films, introduce the variation in the thickness of the layers in a linear inclined outline. Accordingly with the design requirements, it was made some adaptations in an e-beam evaporator (electron-beam), adding a mechanical obliterator adjusted with series of depositions and characterizations of a single layers in order to find a linearly inclined outline. In the end of this step it was designed and built the specified VIF. It is also described a possible application of this VIF: a multispectral device for biological analysis. Among many applications, others can be cited, such as: Lab-on-Chip systems, biosensors chip-sized detectors, on-chip fluorescence spectrometry, shift wavelength detectors, interrogation systems, environmental analysis systems, etc. The scope of this work covers the study of variable interference filters as a wavelength scanning detector in biological and chemical sensors compatible with CMOS post-processing. To demonstrate the viability, and enable the exploration of other applications, it is proposed a basic system composed of a VIF, mounted on top of a matrix of sensors connected to a dedicated electronic module, to measure and store the intensity of the incident radiation data and the absorption spectra of molecules present in a detection chamber of a microfluidic system. Other applications of this basic structure are mentioned. This prototype is aimed to analyze biological fluids and results will be compared with results obtained using standard commercial instruments.

In this thesis, we investigate the nonlinear optical properties of four different physical systems: tellurite glasses, castor oil, ionic liquids and colloids of gold nanoparticles. Using Zscan and I-scan techniques, it was possible to determine the values of the electronic (n2 e) and thermal (n2 t) contributions of nonlinear refractive index of these systems as well as evaluating their respective thermo-optical coefficients (dn/dT). We use the I-scan technique to characterize five tellurite glass samples with different compositions. In this experiment we employ a Ti:sapphire laser operating in the modelocked regime, tuned at , delivering pulses, with a repetition rate that was controlled by a pulse selector. These glasses presented an ultra-fast self-focusing nonlinearity. The figure of merit 810 nm 200 fs 1kHz max 0 W= Δn λα was evaluated, and the condition was obtained for four of the five studied samples, displaying the potentiality of these glasses for ultra-fast all-optical switching applications, for example. Castor oil is a natural organic compound with a wide range of applications in industry. In the nanotechnology field, this oil has been exploited as very efficient dispersant and stabilizer agent for metallic gold nanoparticles in colloidal systems. However, a lack of data in literature concerning nonlinear optical properties of this material exists. In this work, we use the Z-scan technique to measure the nonlinear optical response of castor oil for laser excitation at 514 and 810 nm. In the visible region, the measurements had been carried out in the CW regime, using an Argon laser. In the infrared region, a Ti:sapphire laser, operating in the modelocked regime, producing pulses of 200 fs, with low (1 kHz) and high (76 MHz) repetition rate was employed instead. The castor oil presented a self-defocusing nonlinear refraction for both the laser wavelengths. The influence of the electronic and thermal contributions for nonlinearity was evaluated and the results indicate that the thermal effects are the main responsible for the observed nonlinear refraction. The thermo-optical coefficient ( ) of this compound was also measured for both wavelengths. We observe that castor oil thermo-optical coefficient is approximately an order of magnitude larger for the excitation tuned at 514 nm than at 810 nm. The nonlinear optical properties of two kinds of ionic liquids, BMI.BF4 and BMI.PF6, had been investigated. These materials are organic salts that present a low melting temperature and negligible vapor pressure. Although they have interesting physical-chemistry properties, and have been used in several applications, their nonlinear optical properties had been little investigated. In this work, we use the Z-scan technique at W > 0.27 dn / dT 514 nm and . Both ionic liquids displayed high self-defocusing nonlinearity, of thermal origin. We observed that the change of anion by anion modify the optical properties of these compounds. The ionic liquids had also presented a dispersion behavior in their thermo-optical coefficients in the spectral range studied. Although thermo-optical nonlinearities are a problem for the development of ultra-fast photonic devices, they can present a nonlocal character as a consequence of the process of heat conduction. Nonlinear effects in nonlocal media have been investigated in diverse branches of the physics, in particular in phenomena such as light pulses nonlinear propagation, as well as in generation and interaction of spatial solitons. Thus, these results suggest that castor oil and ionic liquids are promising candidates for investigation of nonlinear effects in nonlocal media. In the characterization of the colloidal systems of gold nanoparticles dispersed in castor oil, we evaluate the nonlinear refractive index, nonlinear absorption coefficient, as well as the thermo-optical coefficient in function of the filling factor f. Using Z-scan technique, for the laser excitation tuned at , we observe that the colloids presented an ultra-fast selfdefocusing refractive nonlinear response. Using the generalized Maxwell-Garnett model for composite materials it was possible to explain the behavior of the nonlinear refractive index of the colloid as a function of the filling factor, as well as estimate the value of the real part of the gold nanoparticles third-order nonlinear susceptibility. We also observe that the presence of gold nanoparticles dispersed in castor oil increased the absolute value of the linear absorption coefficient, the nonlinear refraction index of thermal origin and the thermo-optical coefficient. Our results indicate that the presence of gold nanoparticles modifies significantly local and nonlocal nonlinearities of a colloidal system. Moreover, the amount of nanoparticles is an extremely important factor for the development of new nanostructured materials aiming ultra-fast optical and nonlocal applications. 810 nm − 4 BF − 6 PF 800 nm / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Nesta tese, investigamos as propriedades ópticas não lineares de quatro sistemas físicos distintos: vidros teluretos, óleo de mamona, líquidos iônicos e colóides de nanopartículas de ouro. Utilizando as técnicas de varredura Z (Z-scan) e varredura de intensidade (I-scan) foi possível determinar os valores das contribuições de origem eletrônica (n2e) e térmica (n2t) do índice de refração não linear dos sistemas estudados, bem como avaliar os seus respectivos coeficientes termo-ópticos (dn/dT). Usamos a técnica de varredura de intensidade para caracterizar cinco amostras de vidros teluretos com diferentes composições. Neste experimento utilizamos um laser de Titânio de Safira operando no regime modelocked, sintonizado em , emitindo pulsos de de duração, com a taxa de repetição ajustada em através de um seletor de pulsos. Os vidros apresentaram uma não linearidade auto-focalizadora ultra-rápida. A figura de mérito 810 nm 200 fs 1 kHz max 0 W= Δn λα foi avaliada, ea condição foi obtida para quatro das cinco amostras estudadas, demonstrando a potencialidade destes vidros para aplicações em chaveamento totalmente óptico ultra-rápido, por exemplo. O óleo de mamona é um composto orgânico natural com uma ampla gama de aplicações na indústria. No campo da nanotecnologia, este óleo tem sido explorado como um agente dispersante e estabilizante muito eficiente para sistemas coloidais de nanopartículas metálicas de ouro. Entretanto, existe uma carência de dados na literatura acerca das propriedades ópticas não lineares deste material. Neste trabalho, utilizamos a técnica de varredura Z para medir a resposta óptica não linear do óleo de mamona para excitações em 514 nm e 810 nm. Na região visível, as medidas foram realizadas no regime CW, utilizando um laser argônio. No infravermelho, um laser de Titânio de Safira, operando no regime modelocked, produzindo pulsos de , com baixa ( ) e alta ( ) taxa de repetição foi utilizado. O óleo de mamona apresentou uma refração não linear autodesfocalizadora, em ambos os comprimentos de onda. A influência das contribuições eletrônica e térmica para a não linearidade medida foi avaliada e os resultados obtidos indicam que os efeitos térmicos são os principais responsáveis pela refração não linear observada. O coeficiente termo-óptico (W > 0,27 200 fs 1kHz 76 MHz dn dT ) deste composto também foi medido para os dois comprimentos de onda. Observamos que o dn dT do óleo de mamona é aproximadamente uma ordem de magnitude maior para a excitação sintonizada em 514 nm que em 810 nm. As propriedades ópticas não lineares de dois tipos de líquidos iônicos, BMI.BF4 e BMI.PF6, também foram investigadas. Estes materiais são sais orgânicos que se caracterizam por apresentar uma baixa temperatura de fusão e pressão de vapor desprezível. Apesar de possuir propriedades físico-químicas interessantes, e serem usados em diversas aplicações, suas propriedades ópticas não lineares foram pouco investigadas. Neste trabalho, usamos a técnica de varredura Z para excitação em 514 nm e 810 nm. Ambos os líquidos iônicos apresentaram uma grande não linearidade auto-desfocalizadora, de origem térmica. Observamos que a mudança do ânion pelo ânion modifica as propriedades ópticas destes compostos. Os líquidos iônicos também apresentaram uma dispersão nos seus coeficientes termo-ópticos no intervalo espectral estudado. Apesar de ser um problema para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos ultra-rápidos, não linearidades termo-ópticas podem apresentar um caráter de não localidade como uma conseqüência do processo de condução de calor. Efeitos não lineares em meios não locais vêm sendo abordados em diversos ramos da física, em particular em fenômenos de propagação não linear de pulsos de luz, e na geração e interação de sólitons espaciais. Os resultados obtidos sugerem que tanto o óleo de mamona, quanto os líquidos iônicos são candidatos promissores para investigação de efeitos não lineares não locais. Na caracterização dos sistemas coloidais de nanopartículas de ouro dispersas em óleo de mamona avaliamos o índice de refração não linear, coeficiente de absorção não linear, bem como o coeficiente termo-óptico em função do fator de preenchimento f. Fazendo uso da técnica de varredura Z, para o laser de excitação sintonizado em , observamos que os colóides apresentaram uma resposta refrativa não linear autodesfocalizadora ultra-rápida. Utilizando o modelo de Maxwell-Garnett generalizado para materiais compostos foi possível explicar o comportamento do índice de refração não linear do colóide em função do fator de preenchimento, bem como estimar o valor da parte real da susceptibilidade não linear de terceira ordem das nanopartículas de ouro. Observamos também que a presença de nanopartículas de ouro dispersas no óleo de mamona aumentou o valor absoluto do coeficiente de absorção linear, do índice refração não linear de origem térmica e do coeficiente termo-óptico. Nossos resultados indicam que a presença de nanopartículas de ouro altera significativamente as respostas não lineares locais e não locais de um sistema coloidal. Desta forma, a quantidade de nanopartículas é um fator extremamente importante para o desenvolvimento de novos materiais nanoestruturados visando aplicações ópticas tanto ultra-rápidas, quanto não locais.

Um Amplificador Paramétrico Óptico (optical parametric amplifier - OPA) é uma fonte de luz coerente, de alta qualidade e sintonizável, baseada em processos ópticos não-lineares de segunda ordem. Alguns modelos possuem largura de banda estreita e um amplo intervalo de sintonia, podendo alcançar regiões que vão desde o ultravioleta até o infravermelho médio. A nossa motivação para construir este amplificador paramétrico óptico é sua utilização em experimentos de espectroscopia vibracional de superfícies através do processo óptico não-linear de segunda ordem, geração de soma de frequências (sum-frequency generation - SFG), que é uma técnica que exige fontes sintonizáveis no infravermelho médio e com altas intensidades de pico e largura de banda estreita. O objetivo desse trabalho foi projetar, montar e testar um amplificador paramétrico óptico capaz de produzir pulsos sintonizáveis de alta energia no infravermelho médio (λ ~ 2,5 a 10 μm) a partir de um laser de bombeio que fornece pulsos de 25 ps, com alta energia em λ = 1064 nm. Para obter-se uma geração de infravermelho bastante eficiente, foi proposto um projeto inovador para amplificadores paramétricos de picossegundos, utilizando-se a geração de supercontínuo de luz branca como feixe sinal do estágio de amplificação paramétrica. O pulso de bombeio (λ = 1064 nm) é dividido em duas partes: a primeira, de menor energia, é utilizada para gerar um pulso de alta largura espectral no infravermelho próximo (supercontínuo de luz branca de picossegundos). Uma fração espectral desse pulso é selecionada através de um monocromador e utilizada como semente do estágio de amplificação paramétrica. O cristal amplificador paramétrico (sulfeto de prata e gálio, AgGaS2) é então bombeado pelo restante do pulso de bombeio e simultaneamente amplifica a semente sintonizável no infravermelho próximo e gera um novo pulso de frequência complementar no infravermelho médio. Foram testados vários meios para geração de supercontínuo, mas os melhores resultados foram obtidos em uma cubeta de 10 cm de comprimento com uma mistura de água e água deuterada (3 % em volume de H2O em D2O) e em uma fibra fotônica não-linear com 2 m de comprimento. Usando o supercontínuo como feixe semente, observou-se amplificação paramétrica no caso do feixe gerado na fibra fotônica com um ganho de 260 vezes, mas não com o feixe gerado na mistura de água/água deuterada, presumivelmente pela maior instabilidade desse supercontínuo. / An Optical Parametric Amplifier (OPA) is a tunable light source of high quality, coherent radiation, based on second-order nonlinear optical processes. Some models have a narrow spectral bandwidth and a tuning range from the ultraviolet to the mid-infrared. The motivation for building this optical parametric amplifier is its use in vibrational spectroscopy of surfaces by a second-order nonlinear optical process, sum-frequency generation (SFG), which is a technique that requires tunable sources in the mid-infrared with narrow bandwidth and high peak intensities. The purpose of this work is to design, implement and test an OPA to generate tunable high energy pulses tuneable in the mid-infrared (λ ~ 2.5 to 10 μm) from a pumping laser that provides 25 ps pulses with high energy at λ = 1064 nm. For an efficient mid-infrared generation, we propose an innovative design for picosecond parametric amplifiers, using the near infrared portion of a white-light supercontinuum pulse as the seed beam for the parametric amplifier. The pump pulse (λ = 1064 nm) is divided into two parts: the first one, with lower energy, generates a high spectral width pulse in the near infrared (white-light supercontinuum picosecond pulse). A spectral fraction of this pulse is selected through a monochromator and is used as seed for the parametric amplification stage. The second part of the laser beam pumps the parametric amplifier crystal (silver gallium sulfide, AgGaS2) which simultaneously amplifies the tunable seed beam in the near infrared and generates a new pulse with complementary frequency in the mid-infrared. Several media were tested for supercontinuum generation, but the best results were obtained with a 10 cm long cuvette with a mixture of water and deuterated water (3 % volume of H2O in D2O) and with a 2 m long nonlinear photonic crystal fiber. Using the supercontinuum as a seed beam, we have obtained parametric amplification of the seed generated by the photonic fiber with a gain of 260 times, but not of the beam generated by the water mixture, presumably because of its significantly higher instability.

Submitted by Marta Toyoda (1144061@mackenzie.br) on 2018-09-03T21:27:11Z No. of bitstreams: 2 ISRAEL AVANSI MARQUES.pdf: 3183643 bytes, checksum: 04b9d57a4cfc26900497e82d58eecbf5 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Paola Damato (repositorio@mackenzie.br) on 2018-09-27T18:42:40Z (GMT) No. of bitstreams: 2 ISRAEL AVANSI MARQUES.pdf: 3183643 bytes, checksum: 04b9d57a4cfc26900497e82d58eecbf5 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-27T18:42:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 ISRAEL AVANSI MARQUES.pdf: 3183643 bytes, checksum: 04b9d57a4cfc26900497e82d58eecbf5 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-06-14 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo / Fundo Mackenzie de Pesquisa / Two-dimensional materials herald the coming of advances in many areas of Engineering, thanks to the peculiar physicochemical properties obtained when one isolates a single layer of minerals such as graphite and black phosphorus, for example. In the field of optical communications, graphene, composed by only one layer obtained from graphite, has been conquering prominence in applications regarding electro-optic modulators. Graphene exhibits potential to diminish the size and energy consumption of integrated photonic devices operating in the C-band of telecommunications (1550 nm), as well as to increase their transmission rates. The use of graphene on integrated photonics devices has been proposed and demonstrated with encouraging results concerning binary amplitude modulation. By means of computational simulations on COMSOL MultiPhysics v5.3 software, graphene-based electro-optical modulators for PAM-4 multilevel amplitude modulation with no requirement of digital-to-analog conversion (DAC) were designed in this work. The PAM-4 format allows a two-fold increase compared to the binary format without escalating the electro-optical bandwidth. Hence, modulation speeds higher than 200 Gbit/s are calculated from the fashioned devices with electro-optical bandwidths of 83,3 GHz. Recently, two-dimensional black phosphorus has also been explored for applications in modulators operating on the mid-infrared regime. Simulations were realized evaluating the use of black phosphorus on the 1550 nm wavelength regarding amplitude modulation for performance confrontation with graphene. It is shown that when compared with monolayer graphene, black phosphorus would display superior functioning if employed starting from a thickness corresponding to 12 layers. / Os materiais bidimensionais prometem avanços em diversas áreas da engenharia, graças às propriedades físico-químicas peculiares obtidas pela separação de uma única camada de minerais como por exemplo, o grafite e o fósforo negro. No campo das comunicações ópticas, o grafeno, composto por uma única camada atômica obtida a partir do grafite, tem angariado destaque em aplicações concernentes à modulação eletro-óptica. O mesmo mostra-se promissor para reduzir o tamanho, o consumo de energia e aumentar a taxa de transmissão de dados de dispositivos fotônicos integrados operando na banda C das telecomunicações (1550 nm). A utilização do grafeno em dispositivos fotônicos integrados tem sido proposta e demonstrada na plataforma da fotônica do silício com resultados promissores na modulação de amplitude binária. Por meio de simulações computacionais no software COMSOL MultiPhysics v5.3, foram projetados nesse trabalho moduladores eletro-ópticos baseados em grafeno para modulação de amplitude multinível PAM-4 sem necessidade de conversão digital-analógica (DAC). O formato PAM-4 permite dobrar a taxa de bits em relação ao formato binário sem aumento da banda eletro-óptica, dobrando assim a eficiência espectral. Logo, taxas de modulação maiores que 200 Gbit/s são calculadas nos dispositivos projetados com bandas eletro-ópticas de 83,3 GHz. Recentemente, o fósforo negro bidimensional também tem sido explorado para aplicações em moduladores operando no infravermelho médio. Simulações foram realizadas avaliando o uso de fósforo negro no comprimento de onda de 1550 nm para modulação de amplitude para confrontação de desempenho com o grafeno. Demonstra-se que quando comparado ao grafeno monocamada, o fósforo negro apresentaria uma performance superior se empregado a partir de uma espessura correspondente a 12 camadas.

Orientadores: Hugo Enrique Hernández Figueroa, Arismar Cerqueira Sodré Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-20T11:51:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lona_DanielGrandin_M.pdf: 5547359 bytes, checksum: 1dfde15018aecd3aee7c7be413e9c669 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade da tecnologia Radio sobre Fibra (Radio over Fiber - RoF) em redes de sensores sem-fio (Wireless Sensor Networks - WSNs) e Wi-Fi. Inicialmente, realizou-se uma detalhada análise analítica de desempenho dos sistemas em função dos parâmetros típicos de equipamentos RoF, tais como: freqüência de operação, figura de ruído, ruído de intensidade relativa do laser, ruído shot do fotodetector, ruído térmico e modulação óptica. Os sistemas analisados foram então implementados em laboratório nas faixas de freqüência de 915 MHz e 2,4 GHz para WSN e Wi-Fi, respectivamente. Os parâmetros de desempenho medidos foram a indicação de intensidade de sinal recebida (Received Signal Strength Indication - RSSI), taxa de perda de pacotes (Packet Error Rate - PER) e vazão (Throughput) / Abstract: This works aims to evaluate the applicability of Radio over Fiber (RoF) technology in Wireless Sensor Networks (WSNs) and Wi-Fi networks. Initially, the system performance has been analytically evaluated as a function of diverse parameters from RoF pieces of equipment, such as: operation frequency, noise figure, relative intensity noise, shot noise of photodetector, thermal noise and optical modulation. Furthermore, the proposed RoF systems were experimentally implemented in laboratory at 915 MHz and 2.4 GHz bands for WSN and Wi-Fi, respectively. The performance metrics were Received Signal Strength Indication (RSSI), Packet Error Rate (PER) and throughput / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica