Disertacija skirta nepusiausvirųjų krūvininkų dinamikos tyrimams SiC, GaN bei deimantuose naudojant šviesa indukuotų dinaminių gardelių, diferencinio pralaidumo, diferencinio atspindžio bei fotoliuminescencijos metodikas. Taipogi pristatomos naujos sugerties koeficiento matavimo bei gyvavimo trukmės mikroskopijos metodikos. Tyrimai atlikti plačiame nepusiausvirųjų krūvininkų tankių ir temperatūrų intervale esant vienfotoniam bei dvifotoniam sužadinimui. Nustatytas stiprus krūvininkų difuzijos koeficiento priklausomumas nuo krūvininkų tankio ir temperatūros. Jis paaiškintas fononine sklaida, krūvininkų tarpusavio sąveikos procesais bei išsigimimu. Buvo nustatyta, kad netiesiatarpiuose SiC ir deimanto puslaidininkiuose prie mažų sužadinimų rekombinacija yra ribota taškiniais bei paviršiniais defektais, o GaN dominuoja rekombinacija ant tarpkristalitinių ribų. Taipogi pasireiškė netiesinis Ože rekombinacijos procesas, kuris prie žemų sužadinimų buvo sustiprintas kulonine sąveika bei susilpnintas prie didelių dėl elektron-fononinės sąveikos ekranavimo bei išsigimimo. Fotoliuminescencijos efektyvumas parodė, kad spindulinės rekombinacijos koeficientas GaN mažėja nuo sužadinimo, tuo tarpu SiC jis nuo žadinimo nepriklauso. Kompensuojančių defektų (aliuminio SiC ir boro deimante) koncentracijos ir aktyvacijos energijos nustatytos stebint jų sąlygotos sugerties įsisotinimą bei jų signalo relaksacijos spartos priklausomybę nuo temperatūros. / The thesis is dedicated to investigation of carrier dynamics in SiC, GaN and diamond by using light-induced transient gratings, differential transmittivity, differential reflectivity and photoluminescence techniques. Also new absorption coefficient measurement and carrier lifetime microscopy techniques are presented. The experimental studies were performed in a wide range of excess carrier densities and temperatures under single- and two- photon excitation conditions. Strong diffusion coefficient temperature and injection dependences were determined. They were explained by phonon scattering, inter-carrier interaction processes and degeneracy. It was determined, that in indirect-gap SiC and diamond semiconductors at low injections lifetime is limited by point and surface defects, while in GaN recombination on grain boundaries prevails. Also nonlinear Auger recombination coefficient was observed. It was Coulombically enhanced at low injections and screened at high ones. Photoluminescence efficiency revealed radiative recombination coefficient reduction with injection in GaN. On the other hand, in SiC radiative coefficient was injection independent. Compensating defect (aluminum in SiC and boron in diamond) concentrations and activation energies were determined from their absorption saturation and recovery rate temperature dependences.

Disertacija skirta nepusiausvirųjų krūvininkų dinamikos tyrimams InN, InGaN ir GaAsBi heterosandarose naudojant šviesa indukuotų dinaminių gardelių ir skirtuminio pralaidumo metodikas. Atlikti tyrimai plačiame nepusiausvirųjų krūvininkų tankių ir bandinio temperatūrų intervale parodė, kad krūvininkų rekombinacijos sparta MBE būdu užaugintuose InN sluoksniuose dominuojantis rekombinacijos mechanizmas kambario temperatūroje yra gaudyklių įtakota Ožė rekombinacija. Nustatyta koreliacija tarp krūvininkų gyvavimo trukmės ir difuzijos koeficiento MOCVD būdu užaugintame InGaN sluoksnyje su 13% In parodė, kad krūvininkų gyvavimo trukmę lemia difuzinė jų perneša link rekobinacijos centrų. Parodoma, kad MBE metodu užaugintuose InGaN sluoksniuose su dideliu In kiekiu (x>0,7) didėjant Ga kiekiui didėja nespindulinės rekombinacijos centrų tankis, o krūvininkų rekombinacijos sparta yra termiškai aktyvuojama. MOCVD metodu užaugintose InGaN kvantinėse sandarose dinaminių gardelių tyrimais parodoma, kad spartėjančią krūvininkų rekombinaciją didėjant sužadinimo intensyvumui lemia ne tik spindulinė rekombinacija, tačiau reikia atsižvelgti ir į nespindulinės rekombinacijos spartėjimą. Nustatyta, kad į GaAs įterpiant Bi atomus daugiau nei dešimt kartų sumažėja skylių judris dėl Bi atomų kuriamų valentinės juostos fliuktuacijų. / The thesis is dedicated to investigation of carrier dynamics in InN, InGaN, and GaAsBi heterostructures by using light-induced transient gratings and differential transmission techniques. The experimental studies in a wide range of excess carrier densities and temperatures revealed that trap-assisted Auger recombination is the dominant recombination mechanism in MBE-grown InN layers at room temperature. Investigation of carrier dynamics in In-rich InGaN alloys revealed that density of fast nonradiative recombination centers increases with Ga content. The correlation between excess carrier lifetime and diffusion coefficient in MOCVD-grown single InGaN layer with 13% In is governed by diffusive flow to the extended defects. Investigations of carrier lifetime and diffusivity dependence on excitation fluence indicated that both nonradiative and radiative recombination contribute to an increase of excess carrier recombination rate at high photo-excitation levels in MOCVD-grown InGaN multiple quantum wells. Transient grating measurements in MBE-grown GaAsBi layers with different Bi content revealed that Bi induced potential fluctuations determine the tenfold decrease in nonequilibrium hole mobility, if compare to GaAs.

A variation of the excite-and-probe technique is used to measure the picosecond evolution of laser-induced transient gratings that are produced in germanium by the direct absorption of 40 psec optical pulses at 1.06-μm. Grating lifetimes are determined for free carrier densities between 10¹⁸ cm⁻³ and 10²¹ cm⁻³ . For carrier densities less than 10¹⁹ cm⁻³ , a linear diffusion-recombination model for the grating provides a good fit to the experimental data and allows the extraction of the diffusion coefficient and an estimation of the linear recombination lifetime. Above carrier densities of approximately 10²⁰ cm⁻³ , the density dependence of the diffusion coefficient and nonlinear recombination processes must be considered. Numerical solutions to the resulting nonlinear partial differential equation are obtained that allow extraction of information concerning the high density diffusion coefficient and the nonlinear recombination rates.

We engineer an intensity square lattice using the Fraunhofer diffraction of a Laguerre-Gauss beam by a square aperture. We verify numerically and experimentally that a perfect optical intensity lattice takes place only for even values of the topological charge. We explain the origin of this behavior based on the decomposition of the patterns. We propose an analytical solution for these diffraction patterns at different values of topological charges and find the reason for the truncation difraction patterns with beam having OAM. We also study the evolution of the lattice formation by observing the transition from one order to the next of the orbital angular momentum varying the topological charge in fractional steps. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Construímos uma rede truncada usando a difração de Fraunhofer com feixes Laguerre-Gauss por uma abertura quadrada. Verificamos numericamente e experimentalmente que uma perfeita rede ótica de intensidades ocorre somente para valores pares de carga topológica. Explicamos a origem deste comportamento baseado na decomposição dos padrões. Propomos uma solução analítica para estes padrões de difração em diferentes valores de cargas topológicas e o utilizamos este resultado para descrever o motivo do truncamento dos padrões de difração com feixes possuindo MAO. Também estudamos a evolução da formação de redes pela observação da transição de primeira ordem para a próxima ordem variando as cargas topológicas fracionárias do momento angular orbital (MAO).

CNPq / Esta dissertação descreve a fabricação, aplicação e os resultados de um sensor de fibra ótica baseada em redes de Bragg regeneradas para a medição de elevadas temperaturas dos gases de exaustão em uma turbina de motor diesel de locomotiva. É proposto um encapsulamento para a FBG com peças em aço inoxidável o qual foi fixado na superfície da turbina. O sensor foi posto a prova sendo submetido em testes em campo variando a potência do motor. Em laboratório foi feita a comparação do sensor ótico com um sensor convencional termopar. Foi possível demonstrar que os valores de temperatura medidos pelos sensores, tanto o sensor a fibra ótica quanto o convencional, seguem a mesma tendência da potência gerada pelo motor e, dessa forma, foi demonstrado a eficiência do funcionamento dos sensores mostrando a medição de temperaturas na turbina. / This paper describes the fabrication, implementation and results of a fiber optic sensor based on Bragg gratings regenerated for measurement of high temperatures of the exhaust gases in a turbine diesel engine locomotive. The proposed sensor with an encapsulation with stainless steel parts which is laid down on the surface of the turbine. The sensor has been challenged undergoing field tests at varying engine power. In the laboratory the optical sensor was compared with a conventional thermocouple sensor. It was possible to demonstrate that the temperature values measured by the sensors, both the optical fiber sensor as the conventional follow the same trend of the power generated by the engine and thus demonstrated the efficiency of the operation of sensors measuring temperatures showing in turbine.

Este trabalho tem como objetivo compreender o comportamento térmico da excitatriz estática da Usina Hidrelétrica Derivação do Rio Jordão (UHEDRJ), empregando redes de Bragg em fibra ótica como sensor de temperatura. São apresentados os componentes da excitatriz estática, com foco na ponte retificadora trifásica controlada a tiristores. Com a calibração pôde-se conhecer os erros e incertezas dos sensores, tendo as maiores contribuições de incerteza devidas à dispersão das amostras e ajuste das curvas pelo método dos mínimos quadrados. A instrumentação da excitatriz estática permite que sejam realizados ensaios em diversas condições de operação da unidade geradora: partida da unidade, excitação a vazio, ou seja, com o gerador energizado, mas sem estar conectado ao sistema elétrico; excitada e sincronizada, ou seja, gerador energizado e sincronizado com o sistema elétrico; rampa de carga até a carga nominal e parada da unidade. Os ensaios realizados permitem estimar o comportamento térmico da ponte retificadora, variações de temperatura de cada tiristor no painel e como ocorrem as dissipações térmicas. / This work aims to study the static exciter thermal behavior of the hydroelectric power plant Rio Jordão (UHEDRJ) using fiber Bragg gratings as temperature sensor. The components of the static exciter are presented, with a focus on three-phase thyristor controlled bridge rectifier. The calibration allows knowing the errors and uncertainties of the sensors and the greatest uncertainty contributions due to dispersion of the samples and adjusting the curves by the method of minimun squares. The static exciter instrumentation allows performed the tests in various operating conditions of the generating unit: starting unit, excitation empty (with the generator energized but not connected to the grid); excited and synchronized (energized and synchronized with the power grid), ramp load to rated load and the unit stopped. The tests allow to estimate the thermal behavior of the bridge rectifier, temperature variations of each thyristor in the panel and how occur the thermal dissipation.

CAPES / Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sensor a fibra óptica para a monitoração de temperatura em mancais de hidrogeradores de usinas hidrelétricas. Foi apresentado o projeto gráfico, modelagem térmica, processo de montagem e testes realizados. Por tratar-se de uma inovação, é difícil a comparação com outros sensores ópticos desenvolvidos especificamente para monitorar temperatura em mancais de hidro geradores. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares com um protótipo para determinação da dinâmica térmica no interior dos mancais em situações diversas de operação. A partir dessa medição, foi idealizado um sensor óptico que possui duas fibras ópticas, com 3 redes de Bragg gravadas em cada uma delas. Essas redes são encapsuladas por uma haste de alumina coberta com anéis de material com elevada condutividade térmica onde as redes de Bragg se localizam, e baixa condutividade térmica no restante da haste. O procedimento, para calibrar as redes de Bragg do sensor, consistiu em varias a temperatura em degraus de 10°C desde 10°C até 80°C. Cada valor de temperatura permaneceu estável durante 20min, permitindo que o comprimento de onda refletido de cada sensor pudesse ser estimado mediante um histograma. A partir da calibração foram determinados os coeficientes de correlação e o coeficiente de sensibilidade térmica de cada sensor, bem como a incerteza padrão combinada dos mesmos. As incertezas foram divididas em dois tipos, A e B. As incertezas do tipo A, são relativas à dispersão amostral e são determinadas a partir da média, variância e desvio padrão das amostras realizadas durante a calibração. As incertezas do tipo B são obtidas de manuais e certificados de calibração. Foram realizados testes em laboratório com o objetivo de submeter o novo sensor a grandes variações térmicas, entre 15°C e 75°C e checar se as incertezas determinadas correspondiam na prática. Os resultados obtidos apresentam erro máximo de aproximadamente 0,9°C entre o sensor óptico e o sensor de referência PT100. Esse resultado situa-se dentro da faixa de valores de incerteza calculada para os sensores da fibra óptica 1, respectivamente 1,7°C, 1°C e 0,7°C para os sensores 1, 2 e 3. Assim como para a fibra 2, foram observados os valores de incerteza de 0,98°C e 0,71°C respectivamente para as FBG 1, 2 e 3. O desenvolvimento deste sensor possibilita a criação de novos sistemas de monitoração de temperatura ópticos aplicáveis em geradores de grande porte, bem coma interligação destes sistemas visando no futuro o mapeamento térmico total de um gerador utilizando sensoriamento óptico. / This work aims to develop a fiber optic probe for temperature monitoring in bearings of generators hydro power plants. Graphic design, thermal modeling, assembly and testing process is presented. Once it is innovation, it is difficult to compare with other optical transducers developed specifically for monitoring temperature in bearing hydro generators. Initially experiments were performed with a prototype for determination of the thermal dynamics inside the bearings in various operating situations. From this measurement, an optical transducer was designed which was two optical fibers with 3 Bragg gratings recorded in each of them. These gratings are encapsulated by a rod made of alumina and covered with rings of material with good thermal conductivity where the Bragg grating is located, and low thermal conductivity in the remainder of the rod. The procedure for calibrating the Bragg gratings of the transducer consisted of steps of 10°C in the temperature range from 10°C to 80°C. Each temperature value remained stable during 20 min, allowing the mean wavelength reflected from each sensor might be estimated by a histogram. Were determined from the calibration the correlation coefficient and the coefficient of thermal sensitivity of each sensor, and the combined standard uncertainty thereof. The uncertainties were divided into two types: Type A uncertainties are related to the sample dispersion and are determined from the mean, variance and standard deviation of the samples taken during calibration, and type B where uncertainties are obtained from manuals and certificates of calibration. Tests were conducted in laboratory with the aim to submit the new transducer to large temperature variations, ranging between 15°C and 75°C and to check if the uncertainties corresponded in practice. The results presented the maximum error of about 0.9°C between the optical sensor and the reference sensor PT100. This result is within the range of uncertainty values calculated for the fiber optical fiber 2, uncertainty values of 0.98°C, 0.85°C to 0.71°C respectively for the FBG 1, 2 and 3 were observed. The development of this transducer enables the creation of new systems for monitoring temperature optical applicable in generators, as well as the interconnection of these systems to the future the total thermal mapping of a generator using optical sensing. / 5000

CNPq / Esta dissertação descreve a fabricação, aplicação e os resultados de um sensor de fibra ótica baseada em redes de Bragg regeneradas para a medição de elevadas temperaturas dos gases de exaustão em uma turbina de motor diesel de locomotiva. É proposto um encapsulamento para a FBG com peças em aço inoxidável o qual foi fixado na superfície da turbina. O sensor foi posto a prova sendo submetido em testes em campo variando a potência do motor. Em laboratório foi feita a comparação do sensor ótico com um sensor convencional termopar. Foi possível demonstrar que os valores de temperatura medidos pelos sensores, tanto o sensor a fibra ótica quanto o convencional, seguem a mesma tendência da potência gerada pelo motor e, dessa forma, foi demonstrado a eficiência do funcionamento dos sensores mostrando a medição de temperaturas na turbina. / This paper describes the fabrication, implementation and results of a fiber optic sensor based on Bragg gratings regenerated for measurement of high temperatures of the exhaust gases in a turbine diesel engine locomotive. The proposed sensor with an encapsulation with stainless steel parts which is laid down on the surface of the turbine. The sensor has been challenged undergoing field tests at varying engine power. In the laboratory the optical sensor was compared with a conventional thermocouple sensor. It was possible to demonstrate that the temperature values measured by the sensors, both the optical fiber sensor as the conventional follow the same trend of the power generated by the engine and thus demonstrated the efficiency of the operation of sensors measuring temperatures showing in turbine.

Este trabalho tem como objetivo compreender o comportamento térmico da excitatriz estática da Usina Hidrelétrica Derivação do Rio Jordão (UHEDRJ), empregando redes de Bragg em fibra ótica como sensor de temperatura. São apresentados os componentes da excitatriz estática, com foco na ponte retificadora trifásica controlada a tiristores. Com a calibração pôde-se conhecer os erros e incertezas dos sensores, tendo as maiores contribuições de incerteza devidas à dispersão das amostras e ajuste das curvas pelo método dos mínimos quadrados. A instrumentação da excitatriz estática permite que sejam realizados ensaios em diversas condições de operação da unidade geradora: partida da unidade, excitação a vazio, ou seja, com o gerador energizado, mas sem estar conectado ao sistema elétrico; excitada e sincronizada, ou seja, gerador energizado e sincronizado com o sistema elétrico; rampa de carga até a carga nominal e parada da unidade. Os ensaios realizados permitem estimar o comportamento térmico da ponte retificadora, variações de temperatura de cada tiristor no painel e como ocorrem as dissipações térmicas. / This work aims to study the static exciter thermal behavior of the hydroelectric power plant Rio Jordão (UHEDRJ) using fiber Bragg gratings as temperature sensor. The components of the static exciter are presented, with a focus on three-phase thyristor controlled bridge rectifier. The calibration allows knowing the errors and uncertainties of the sensors and the greatest uncertainty contributions due to dispersion of the samples and adjusting the curves by the method of minimun squares. The static exciter instrumentation allows performed the tests in various operating conditions of the generating unit: starting unit, excitation empty (with the generator energized but not connected to the grid); excited and synchronized (energized and synchronized with the power grid), ramp load to rated load and the unit stopped. The tests allow to estimate the thermal behavior of the bridge rectifier, temperature variations of each thyristor in the panel and how occur the thermal dissipation.

Esta tese descreve a fabricação, caracterização e possíveis aplicações de compósitos poliméricos nanoestruturados obtidos pela técnica de automontagem. Três sistemas distintos foram analisados: i) nanocompósitos contendo azopolímeros e azocorantes, ii) nanocompósitos contendo compostos de coordenação macrocíclicos (ftalocianinas), e iii) nanocompósitos contendo materiais do tipo doador-receptor, à base de poli(p-fenileno vinileno) (PPV) e azocorantes. Nos compósitos contendo azobenzeno, exploramos as propriedades de birrefringência e a formação de grades de relevo fotoinduzidas. Dois compostos contendo azobenzeno foram utilizados: um copolímero com cromóforos de azobenzeno ligados covalentemente à cadeia principal (Ma-co-DR13) e um azocorante comercial de baixo peso molecular, Brilliant Yellow (BY). Verificou-se através de experimentos de armazenamento óptico que o tempo de escrita até a saturação é muito maior (cerca de 30 min.) que em filmes de azopolímeros produzidos por outras técnicas como casting, em que este tempo é da ordem de dezenas de segundos. O longo tempo foi atribuído às fortes interações eletrostáticas entre as camadas dos filmes automontados, restringindo o processo de reorientação molecular, necessário à indução da birrefringência. Verificamos também que a presença de água entre as camadas do filme exerce influência significativa sobre o tempo de escrita. O tempo característico de escrita diminui de 8 min. para um filme seco para 2 min. após imersão em água. Este efeito é completamente reversível, ou seja, o tempo característico volta a aumentar se o filme for mantido em dessecador durante alguns dias. Grades de relevo foram inscritas nos filmes de BY e analisadas com micro-espectroscopia Raman. Os resultados mostraram um grau variável de fotodegradação no processo de inscrição das grades, dependendo do policátion ou dos parâmetros de fabricação dos filmes, como o pH das soluções. Qualitativamente, a menor ocorrência de fotodegradação foi observada em filmes de poli(alilamina hidroclorada) (P AH) e BY, preparados em soluções de pH = 10. Para os filmes fabricados com ftalocianina tetrasulfonada de ferro (FeTsPc), a combinação das técnicas de espectroscopia no UV-VIS. e no infavermelho (modos transmissão e reflexão) revelou a existência de ligações não-usuais específicas entre o átomo central de ferro da FeTsPc e os grupos não ionizados (NH2) da PAH, usada como policátion. A existência dessas interações ainda não havia sido relatada na literatura e é devida à estrutura de camadas extremamente finas de PAH e FeTsPc. A espessura média de uma bicamada de PAHlFeTsPc foi estimada em cerca de 10 \'Angstron\'. No terceiro tópico abordado, estudamos o processo de transferência de energia entre camadas automontadas de poli(p-fenileno vinileno) (PPV) e do azocorante BY. A transferência de energia pôde ser controlada não só pela variação da distância entre doador e receptor, mas principalmente pelo foto alinhamento das moléculas do BY (receptor) numa direção perpendicular à direção preferencial de emissão do PPV. Esse fotoalinhamento diminui a transferência de energia entre PPV e BY, resultando em um aumento de até 4 vezes na intensidade da fotoluminescência do filme. / This thesis describes the fabrication and possible applications of layer-by-Iayer (LBL) nanostructured films for three distinct systems comprising i) azopolymers and azodyes, ii) organometallic molecules (phthalocyanines) and iii) luminescent polymers and azodyes. Optically induced birefringence and surface relief gratings (SRGs) were studied in the azobenzene-containing composites, using a side-chain azopolymer (Ma-co-DR13) and a commercially available azodye, viz. Brilliant Yellow (BY). Optical storage experiments showed that the writing time required to induce birefringence (up to the saturation) in LBL films of Ma-co-DR13 is ca. 30 min, which is considerably longer than the times required in cast films of azopolymers (tens of seconds). The long writing time was attributed to the electrostatic interactions between the layers in the LBL film, which preclude photoisomerization or the reorientational processes for the azobenzene molecules.ln addition, entrained water in the films was found to affect the writing time. For example, the characteristic writing time decreases from 8 min. for a dry film to ca.2 min. for a film immersed for some minutes in water. This effect was completely reversible. Surface relief gratings were inscribed on LBL films from BY and analyzed with micro-Raman spectroscopy. The Raman spectra revealed that the process for SRG inscription is not entirely light-driven, with the occurrence of photodegradation. Such photodegradation can be minimized upon the appropriate choice of the polycations as well as the experimental conditions used for film fabrication. The lowest level of photodegradation was observed for films of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and BY fabricated from pH 10 solutions. Organometallic supramolecular composites were built using iron tetrasulfonated phthalocyanine (FeTsPc) and P AH as polycation. The combination of electronic and vibrational spectroscopic techniques showed the presence of unusual specific interactions between the central atom of FeTsPc and non-protonated groups from P AH (NH2). These interactions are believed to occur due to the intimate contact between the materials in the very thin PAH/FeTsPc LBL films, whose thickness was 10 ?Angstron? per bilayer. In the poly(p-fenilene vinylene) (PPV) (donor) and BY (acceptor) system, the resonant energy transfer process was exploited to control luminescence. The quenching in luminescence could be controlled by varying the distance between the PPV and BY layers, similarly to what has been reported in the literature. The novelty in this work, however, was the fine-tuning of luminescence achieved with the photoalignment of the acceptor molecules (BY). For example, the intensity of the photoluminescence increased 4 times upon the photoalignment for 10 min. of the BY chromophores.