Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia de monitoramento a partir da alocação de medidores voltada para a estimação de estado harmônico trifásica em sistemas de distribuição de energia elétrica desequilibrados. O algoritmo de estimação de estado harmônico desenvolvido tem como entrada os fasores de tensão e de corrente em pontos pré-definidos de medição sobre os alimentadores em análise. Para a alocação dos medidores, verificou-se a necessidade de a mesma ser realizada e direcionada para este problema, e um algoritmo de otimização em específico foi desenvolvido utilizando algoritmos genéticos. Para a estimação de estado harmônico, a técnica de Decomposição em Valores Singulares foi utilizada, por ser adequada a sistemas não completamente observáveis. Em relação às simulações, cargas não lineares (ou perturbadoras) foram conectadas ao longo dos alimentadores testes do IEEE de 13, 34 e 37 barras, considerando configuração trifásica assimétrica para as linhas e cargas desbalanceadas. Todas as simulações computacionais foram realizadas dispondo do programa DIgSILENT PowerFactory. Os resultados satisfatórios encontrados denotam que o desempenho do estimador desenvolvido é dependente dos pontos de medição pré-definidos a partir da alocação dos medidores realizada. Pela metodologia implementada e aplicada, o algoritmo de estimação de estado harmônico veio a corretamente calcular todas as variáveis de estado e, consequentemente, os sistemas testes em análise tornaram-se completamente observáveis para todas as fases e ordens harmônicas caracterizadas. / This research aims for the development of a monitoring methodology through the allo-cation of meters in order to perform a three-phase harmonic state estimation in unbalanced distribution systems. The harmonic state estimation algorithm developed has voltage and current phasors as inputs at predefined measurement points on the feeders about analysis. For an allocation of the meters, there was a need for it to be performed and directed to this problem, and a specific optimization algorithm was developed using Genetic Algorithms. For a harmonic state estimation, the Singular Value Decomposition technique was made, because it is suitable for systems that are not completely observable. Regarding the simulations, the non-linear (or disturbing) loads were connected along the test feeders of the IEEE of 13, 34 and 37 bus, considering the three-phase asymmetric configuration for lines and loads. All computational simulations were performed in the DIgSILENT PowerFactory software. The satisfactory results found note that the performance of the developed estimator depends on the pre-defined measurement points from the allocation of the realized meters. By the applied methodology, the harmonic state estimation algorithm came to correctly calculate all the state variables and, consequently, the test systems about analysis became fully observable for all phases and harmonic orders characterized.

O colágeno é a forma funcional de um oligômero biológico, cujos monômeros são aminoácidos quirais. Tecidos ricos em colágeno são estruturas opticamente anisotrópicas, birrefringentes e não-lineares. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o colágeno tipo I não irradiado e após irradiação com laser de He-Ne polarizado, utilizando a microscopia de polarização para investigação da birrefringência, e a geração de segundo harmônico (GSH) para análise da susceptibilidade não-linear. Doze ratos Wistar foram divididos em quatro grupos, de acordo com as idades: 34, 48, 62 e 76 dias. Os grupos receberam, respectivamente, 1; 5; 9 e 13 irradiações de D= 1J/cm2, durante 46s, no tendão de Aquiles que, aleatoriamente, foi escolhido ser o direito ou esquerdo. Os animais foram então sacrificados e os tendões extraídos para a preparação das amostras. Para a microscopia de polarização foram obtidos cortes com 8μm de espessura, e as birrefringências de forma e intrínseca foram avaliadas. Para a GSH foi utilizado um laser de Ti:Safira (150fs) com 76MHz de taxa de repetição, diâmetro do feixe φ= 40μm, comprimento de onda central λ= 800nm e Δλ= 10nm e Pp= 110mW. Um polarizador linear foi posicionado no caminho do feixe. Duas objetivas foram utilizadas para focalizar e coletar a radiação incidente e emergente da amostra, respectivamente. Um analisador, também linear, foi introduzido logo após a objetiva coletora. Um filtro absorvedor na faixa infravermelha do espectro eletromagnético, mas transmissor na faixa azul, foi utilizado para garantir que apenas λ= 400nm era medido. A razão, ρ, entre dois tensores de hiperpolarizabilidade independentes foi estudada. As amostras irradiadas apresentaram maior birrefringência (Δn) e maior susceptibilidade não-linear (ρ), em comparação com as não irradiadas. Estes resultados indicam que o laser de He-Ne polarizado alinha as fibrilas de colágeno ao longo eixo do tendão. / The collagen is the functional form of a biological oligomer whose monomers are chiral amino acids. Tissues filled up of collagen are anisotropic optically structures, birefringent and nonlinear. The purpose of this study was characterizing nonirradiated and polarized He-Ne laser irradiated type I collagen using polarized light microscopy to investigate the birefringence and the second harmonic generation (SHG) to analyze the nonlinear susceptibility. Twelve Wistar rats were alienated into four groups according to the ages: 34, 48, 62 and 76 days. The groups received, respectively, 1; 5; 9; and 13 irradiations of D= 1J/cm2 during 46s on Achilles tendon, which was chosen randomly as right or left. Thereafter, the animals were sacrificed and the tendons were extracted to prepare the specimens. For polarized light microscopy, eight-μm sections were obtained to evaluate the form and intrinsic birefringences. For SHG, it was used a Ti:Safira (150fs) laser at a repetition rate of 76MHz, beam diameter of φ= 40μm, wavelength of λ= 800nm and Δλ= 10nm and Pp= 110mW. The beam passed through a linear polarizer and two microscope objectives were used to focalize and collect the incident and emergent radiation, respectively. A second linear polarizer was placed after of collecting objective. An infrared absorber and blue transmitter filter was used a sure that only λ= 400nm was measured. The ratio, ρ, between two hyperpolarizability tensors was studied. The irradiated samples presented higher birefringence (Δn) and nonlinear susceptibility (ρ) when compared to nonirradiated samples. These results indicate that a polarized He-Ne laser aligns the collagen fibrils to the long tendon axis.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:15:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Graziele Bortolini.pdf: 3189488 bytes, checksum: 6e8f5c11b189fb8f0ee4624270ebcee3 (MD5) Previous issue date: 2015-03-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The Nosé-Hoover dynamics is deterministic and time-reversible and performs a statistical sampling of the canonical ensemble of a many-body system directly from the system dynamics. This system is coupled to one extra degree of freedom (extended system) acting as a heat reservoir. In this work, we study the dynamical of the prototype system: the harmonic oscillator thermalized in the Nosé-Hoover dynamics. We observe periodic and quasi periodic regular trajectories in the phase space for different initial conditions. However, the oscillator is non-ergodic and non-canonical in the Nosé-Hoover dynamics, when we add one reservoir degree of freedom (thermostats chain), the momentum distribution tends to the canonical one. The second system studied is an Argonne gas with 4000 particles which interact by means of a Lennard-Jones potential. For this system, we observe phase transitions, momentum distributions in agreement of canonical ensemble, as well, the thermostat efficiency to keep constant the average temperature. / A dinâmica de Nosé-Hoover é determinística e reversível no tempo e realiza uma amostragem estatística de um sistema de muitos corpos no ensemble canônico diretamente a partir da dinâmica do sistema. Esse sistema é acoplado a um grau de liberdade extra (sistema estendido) que desempenha o papel de um reservatório térmico. Neste trabalho, estudamos a dinâmica do sistema protótipo mínimo: o oscilador harmônico na dinâmica de Nosé-Hoover. Observamos trajetórias regulares periódicas e quase periódicas no espaço de fase para diferentes condições iniciais. Embora, o oscilador não seja ergódico e não reproduza as médias do ensemble canônico na dinâmica de Nosé-Hoover, ao adicionarmos mais um grau de liberdade ao reservatório (cadeia de termostatos), a distribuição de momentos tende a canônica. O segundo sistema estudado é um gás de Argônio constituído de 4000 partículas que interagem segundo um potencial de Lennard-Jones. Para esse sistema, observamos transições de fase, distribuições de momento em concordância com o ensemble canônico, assim como a eficiência do termostato de Nosé-Hoover em manter a temperatura média constante.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-10-10T18:52:25Z No. of bitstreams: 1 DESIANE MAIARA GOMES DOS SANTOS – DISSERTAÇÃO (PPGFísica) 2015.pdf: 6011160 bytes, checksum: a5021549766593cfe2eb8fe5314ea39b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-10T18:52:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DESIANE MAIARA GOMES DOS SANTOS – DISSERTAÇÃO (PPGFísica) 2015.pdf: 6011160 bytes, checksum: a5021549766593cfe2eb8fe5314ea39b (MD5) Previous issue date: 2015-04-10 / Capes / Nesta dissertação, analisamos a dinâmica de osciladores parametricamente forçados, com enfoque na amplificação de pequenos sinais. Iniciamos por uma revisão da ressonância paramétrica e da amplificação paramétrica em um oscilador linear parametricamente excitado. Em seguida, estudamos dois tipos de osciladores não-lineares parametricamente forçados e concluímos a dissertação com a análise de um dímero parametricamente excitado. Basicamente, analisamos os fenômenos de ressonância paramétrica e de amplificação paramétrica, comparando os resultados obtidos analiticamente (via métodos da média ou do balanço harmônico) com os obtidos via integração numérica das equações do movimento. Em todos os casos, obtivemos a linha de transição para a instabilidade paramétrica do oscilador paramétrico. Nós excitamos os amplificador paramétrico com e sem dessintonia entre entre o bombeamento e o sinal externo ac. Verificamos que o ganho da amplificação paramétrica depende da sensitivamente na fase do sinal externo ac e na amplitude do bombeamento. Mostramos que tais sistemas podem ser facilmente utilizados para recepção e decodificação de sinais com modulação de fase. Além disso, obtivemos séries temporais, envelopes e transformadas de Fourier para a resposta da amplificação paramétrica de pequenos sinais ac. Especificamente nos casos dos osciladores de Duffing parametricamente forçados, obtivemos e analisamos linhas de bifurcação e a amplitude dos ciclos limites como função da frequência e da amplitude de bombeamento. Adicionalmente, conseguimos obter uma relação analítica para os ganhos do sinal e do idler dos osciladores não-lineares parametricamente forçados pelo método do balanço harmônico. Os resultados obtidos implicam que os amplificadores paramétricos não-lineares podem ser excelentes detectores, especialmente em pontos próximos a bifurcações para instabilidade, em que apresentam altos ganhos e largura de banda bem estreitas. Por último, investigamos também o comportamento de dois osciladores lineares acoplados e parametricamente estimulados, com e sem força externa ac. Tais sistemas são muito sensíveis à fase do sinal a ser amplificado e podem ser utilizados para criar amplificadores sintonizáveis em função do parâmetro de acoplamento. / In this dissertation, we studied the dynamics of parametrically-driven oscillators, with a focus on the amplification of small signals. We begin with a revision of parametric resonance and parametric amplification in a linear oscillator parametrically excited. Next, we studied two types of nonlinear parametrically-driven oscillators and finished the dissertation with an analysis of a parametric dimer. Basically, we analyzed the phenomena of parametric resonance and parametric amplification by comparing the results obtained analytically (via the averaging or harmonic balance methods) with those of numerical integration of the equations of motion. In all cases, we obtained the transition line to parametric instability of the parametric oscillator. We excited the parametric amplifier with and without detuning between the pump and the external signal. We found that the parametric amplification depends sensitively on the phase of the external ac signal and on the internal pump amplitude. We showed that such amplifiers can be easily used for the reception and decoding of signals with phase modulation. Furthermore, we obtained time series, envelopes, and Fourier transforms of the response of the parametric amplifier to small external ac signals. Specifically in the cases of the parametrically-driven Duffing oscillators, we obtained and analysed the bifurcation lines and the amplitude of limit cycles as function of the pump amplitude and frequency. In addition, we derived an expression for the signal and idler gains of the nonlinear parametrically-driven oscillators with the harmonic balance method. The results imply that the nonlinear parametric amplifiers can be excellent detectors, specially near bifurcations to instability, due to their high gains and narrow bandwidths. Finally, we studied the dynamics of two linear oscillators coupled and parametrically excited, with and without external ac driving. We found that such systems have a wealth of dynamical responses. They present parametric amplification that is dependent on the coupling parameter and on the phases of the external ac signals. Such systems may be used as tunable amplifiers.

Amorphous materials present macroscopic inversion symmetry. As a consequence, their even order nonlinearities are null. The technological interest in vitreous medium with second order nonlinearity ( χ(2) ) to make photonic devices has stimulated the development of techniques to induce this property. Among them, the thermal-electric field poling is one of the most investigated due its experimental simplicity and results reproducibility. In this work the investigations were directed to the thermal-electric field poling dynamics in soda-lime glasses in view of identify the mainly contributions to the induced nonlinearity stability. Initially were identified the mainly contributions to the induced electrical current. It was observed during the polarizations electroluminescence emission which was shown to be due to ionic displacement and air ionization outside the sample. By using a simplified ionic conduction model was determined two activation energies: ~0,60 and ~3,8eV. The first one, determined from the induced electrical current, was attributed to the sodium conduction; while the second ones, determined by the electroluminescence, attributed to the calcium displacement. Besides the small contribution to the electrical current, the calcium ions, due their small diffusion coefficient, were identified as responsible to the possibility of induce stable second order nonlinearity in soda-lime glasses. Based on these evidences it was used an alternative procedure in which the electrical current flux is controlled. This procedure enabled induce stable χ(2) . This effect was demonstrated to exist 12 months after the polarization procedure, even with a ~50% decrease. The second harmonic generation efficiency was increased in until three times by pumping continuously the polarized samples with infrared radiation from an Nd-YAG laser operating at QSML regime. The threshold applied voltage to observe χ(2) was determined through a modulated applied voltage procedure to be due to the mobility difference between sodium and calcium. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Materiais amorfos apresentam simetria de inversão macroscópica e, como conseqüência, as nãolinearidades ópticas de ordem par são nulas. A necessidade tecnológica de que meios vítreos apresentem não-linearidade de segunda ordem ( χ(2) ), visando principalmente o desenvolvimento de dispositivos fotônicos, fortalece a busca por técnicas para a sua indução. Dentre estas, o processo termo-elétrico de polarização tem sido muito investigado devido, principalmente a sua simplicidade experimental e a reprodutibilidade dos resultados. Neste trabalho as investigações são dedicadas à dinâmica do processo termo-elétrico em vidros soda-lime visando identificar as principais contribuições para a estabilidade da não-linearidade induzida. Inicialmente foram verificadas as principais contribuições à corrente elétrica induzida. Durante as polarizações observou-se emissão de eletroluminescência. Mostrou-se que esta é devido ao deslocamento dos íons de cálcio e possíveis ionizações do ar fora da amostra. Usando um modelo simplificado de condução iônica determinou-se duas energias de ativação: ~0,60 e ~3,8eV. A primeira, determinada a partir da corrente elétrica induzida, foi atribuída à condução dos íons de sódio; enquanto a segunda, determinada pela eletroluminescência, aos íons de cálcio. Apesar de pequena contribuição na corrente elétrica induzida, os íons de cálcio, devido ao baixo coeficiente de difusão, foram identificados como os responsáveis pela possibilidade de indução de χ(2) estável em vidros soda-lime. Baseado nessas evidências foi utilizado um procedimento alternativo de polarização controlando do fluxo de corrente induzida que permitiu a indução de χ(2) estável. Este efeito pôde ser comprovado existir 12 meses após o processo de polarização, mesmo com redução de ~50% do valor inicial. Observou-se que a eficiência na geração de segundo harmônico pôde ser aumentada em até 3 vezes quando as amostras polarizadas foram bombeadas continuamente com laser Nd-YAG operando no regime QSML. Através de procedimento com tensão elétrica aplicada modulada foi identificada a origem da tensão elétrica de limiar como sendo devido à diferença de mobilidade entre os íons de sódio e cálcio.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4853.pdf: 5831443 bytes, checksum: 4e6531437ba418dff23289618e0e9361 (MD5) Previous issue date: 2012-10-25 / Financiadora de Estudos e Projetos / Nonmelanoma skin cancer is the most frequent disease in the world population and it is becoming a public health problem. Due to this fact, new technologies are being tested for the treatment of this disease. Photodynamic Therapy (PDT) is a noninvasive technique with an excellent cosmetic outcome, well tolerated by patients and with good healing results when used for the initial stages of cancer lesions. PDT uses molecular oxygen, light at appropriate wavelengths and the drug photosensitizers to generation of reactive oxygen species such as singlet oxygen responsible for the photoinactivation of target cells. The characteristics of scar tissue after multiple sessions of PDT is not completely understood. It is not known whether multiple sessions of PDT may cause irreversible changes in the treated tissue. Thus, the present study has as its main objective the evaluation of the characteristics of the skin scarred after multiple sessions of PDT. For this study, we used 25 Wistar type male mice. These 25 mice were grouped into 5 subgroups of 5 each: G0, control group, non-subjected to any treatment; G1, exposed to one PDT session and after, there was made a lesion with CO2 laser over the scarred tissue; G2, the group is submitted twice for the same procedure, G3, subjected to 3 times the procedure performed for G1 group; G4, exposed to 4 times the procedure. Once the mice s skin was healed, we performed macroscopic and microscopic evaluations of the histological pieces. Furthermore, we made a microscopic evaluation of collagen fibers and the generation of the second-harmonic through multiphotons microscopy. Macroscopically, it was observed a good healing for the different groups. The aesthetic result showed a decrease after the third and fourth sessions. In the microscopic study, it was observed an conservation of the quantity of sebaceous glands per square millimeter (mm2). The morphology of collagen fibers when evaluated using two-photon excited fluorescence in the confocal microscope, showed thinner fibers with a parallel arrangement and lower density in the G3 e G4 compared to the control group. It was not observed decrease in the generation of second harmonic in histopathology slides. These results suggest that healing in skin after four (4) sessions of PDT/lesion presents alterations in aesthetic and histological of the morphology of collagen fibers that may be related to submitted of the skin in eight (8) consecutive occasions with an incomplete healing between them. / O Câncer de pele não melanoma é o câncer mais frequente da população mundial, se tornando um problema de saúde pública. Devido a essa problemática, novas tecnologias estão sendo testadas para o tratamento desta doença. A Terapia Fotodinâmica (TFD) é uma técnica não invasiva com excelentes resultados estéticos, bem tolerada pelos pacientes e com bons resultados de cura quanto usado para lesões iniciais. Usa o oxigênio molecular, a luz num comprimento de onda adequado e o medicamento fotossensibilizador para formar espécies altamente reativas como o oxigênio singleto responsável pela fotoinativação das células alvo. As características do tecido cicatrizado após múltiplas sessões de TFD não são completamente conhecidas. Ainda não se tem conhecimento se múltiplas sessões de TFD podem ocasionar modificações irreversíveis no tecido tratado. Desta forma, o presente estudo tem como principal objetivo a avaliação das características da pele cicatrizada após múltiplas sessões de TFD. Para este estudo, aprovado pelo comitê de ética e pesquisa foram utilizados 25 ratos machos, da linhagem Wistar, divididos em 5 grupos com 5 animais por cada grupo: G0 controle, não foi submetido a nenhum procedimento; G1, submetidos a uma sessão de TFD na pele do dorso, posteriormente, nesta pele cicatrizada foi feita uma lesão externa com laser de CO2; G2, o grupo passa duas vezes pelo mesmo procedimento explicado anteriormente; G3, o grupo passa três vezes pelo procedimento e para o grupo G4 é repetido os procedimentos em quatro ocasiões. Após a cicatrização dos procedimentos é feita uma avaliação macroscópica, um analise microscópica e uma avaliação da microestrutura das fibras de colágeno e geração do segundo harmônico por microscopia multi-fótons. Macroscopicamente, foi observada uma cicatrização satisfatória para os diferentes grupos tratados se apresentando uma diminuição no resultado estético após a terceira e a quarta sessão. No estudo microscópio, foi evidente uma conservação da quantidade de glândulas sebáceas por mm2. A morfologia das fibras de colágeno apresentaram modificações que foram mais acentuadas na terceira e quarta sessão, se evidenciando fibras de menor espessura, com uma disposição paralela e menor densidade quando comparadas ao grupo controle. Não foi evidente diminuição da geração do secundo harmônico nas lâminas estudadas. A partir destes dados sugere-se que a cicatrização na pele após 4 sessões de TFD/lesão, apresenta modificações no resultado estético, histológico, da morfologia das fibras de colágeno que podem estar relacionadas com acometimento consecutivo da pele em 8 ocasiões com uma cicatrização incompleta entre elas.

Neste trabalho fizemos um estudo da geração de terceiro harmônico (GTH) usando pulsos de femtossegundos (fs). A GTH é uma importante técnica que permite estudar propriedades ópticas não lineares de terceira ordem de materiais. Estudamos a GTH aplicando as técnicas de franjas de Maker e a de varredura-Z em diferentes materiais levando em conta as contribuições de suas interfaces. A técnica de franjas de Maker com GTH permite a determinação de propriedades ópticas lineares e não lineares de volume, mas não de interface, portanto, a técnica de varredura-Z na condição de focalização forte foi implementada para estudar a influência da interface na GTH. Estudamos diversos vidros ópticos (sílica, K10, SK11, LLF1 e LLF6) e também diferentes soluções (acetona, clorofórmio, DMSO e tolueno) em uma cubeta. Em termos de número de interfaces, usando uma lâmina de vidro temos duas, no caso de um sanduíche de dois vidros temos três (entrada, meio e saída) e temos quatro interfaces para a cubeta. Observamos que elas contribuem tanto nas intensidades quanto nos espectros dos terceiros harmônicos (TH) gerados. Dependendo do tipo de interface e do sentido de propagação, tanto a intensidade quanto o espectro do TH são diferentes. Observamos que a reflexão de Fresnel atua significativamente nas diferenças de intensidades da GTH nas interfaces entre dois meios com índices de refração lineares diferentes. Uma interferência construtiva ocorre quando o feixe de laser propaga de um material com índice de refração mais alto para outro com índice mais baixo, aumentando a intensidade do laser e, consequentemente, gerando mais TH. Uma interferência destrutiva ocorre numa propagação oposta. Outro efeito interessante observado foi que, além da magnitude da não linearidade do meio, existem as contribuições da propagação e da modulação de fase cruzada no alargamento espectral do TH. Dessa forma, o alargamento espectral depende da não linearidade do meio e também do sentido de propagação no caso de interfaces. Em resumo, esse estudo nos levou a uma melhor compreensão dos fenômenos não lineares de GTH nas interfaces, e também possibilitou o surgimento de um novo método que pode ser usado para a determinação da susceptibilidade de terceira ordem de materiais. / In this work we did a study of the third-harmonic generation (THG) using femtosecond pulses. The THG is an important technique which allows studying thirdorder nonlinear optical properties of materials. We studied the THG by the Maker fringes and the Z-scan techniques in different materials taking into account their interfaces contributions. The Maker fringes technique with THG allows the determination of the bulk linear and the nonlinear properties, but not of the interface. Therefore, the Z-scan technique in the tight focused condition was implemented to study the interface influences on the THG. We studied several optical glasses (silica, K10, SK11, LLF1 and LLF6) and different solutions (acetone, chloroform, DMSO and toluene) in a cuvette. In term of numbers of interfaces, using a glass slab we have two, in the case of two sandwiched optical glasses we have three (input, middle and output) and for the cuvette we have four interfaces. We have observed that they play an important role on the third-harmonic (TH) intensities and spectra. Depending of the interface type and propagation direction, the TH intensity and spectrum are different. We have observed that the Fresnel reflection has a significant effect on the THG intensity differences between two media with different linear refractive indices. A constructive interference occurs when the laser beam propagates from one material with higher refractive index to one with lower refractive index, increasing the laser intensity and, consequently generating more TH. A destructive interference occurs in the opposite propagation case. Another important effect observed was that, beside the materials nonlinearity magnitude, there are propagation and cross-phase modulation contributions to the TH spectrum broadening. In this way, the spectrum broadening depends on the materials nonlinear properties and the propagation direction on the case of interfaces. In summary, this study leads to a better understanding of the TH nonlinear phenomena, and also, has allowed one new method for third-order nonlinear susceptibility determination.

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

Neste trabalho estudamos uma nova classe de materiais ópticos não-lineares, os cristais orgânicos, que possuem potencial para muitas aplicação em dispositivos. Determinamos diferentes propriedades ópticas lineares e não-lineares de três cristais orgânicos: a l-alanina, a l-treonina e a l-lisina. Esses cristais de aminoácido foram escolhidos por apresentarem propriedades de geração de segundo harmônico (GSH) e por serem materiais nunca estudados sob o ponto de vista da óptica não-linear. Estudamos algumas das propriedades ópticas lineares fundamentais desses cristais biaxiais transparentes, pois deles dependem os fenômenos não-lineares sobre os quais são feitas intensas pesquisas. Determinamos as propriedades lineares como os espectros de absorção, os índices de refração, os eixo ópticos, velocidade de propagação da luz num meio anisotrópico e os limiares de dano por radiação. Posteriormente, determinamos as condições de casamento de fase, a eficiência de GSH, e a auto-modulação de fase. A GSH e a auto-modulação de fase pertencem, respectivamente, a processos não-lineares de segunda e de terceira-ordem. Para o estudo de muitas dessas propriedades foram desenvolvidas novas técnicas experimentais. Uma dessas novas técnicas, a varredura-Z oscilante, teve sensibilidade para determinar, pela primeira vez, o índice de refração não oscilante, vez, o índice de refração não linear desses cristais orgânicos. Além disso, como a todos os processos de caracterização envolveram a preparação de amostras, tivemos a oportunidade de criar procedimentos padrões para manipulação e utilização desses novos materiais. / In this work we studied a new class of nonlinear organic crystals that are potential candidates for devices application. We determined several linear and nonlinear optical properties of three organic crystals: l-alanine, l-threonine and l-lysine. These aminoacid. These aminoacid because their nonlinearities were never studied before. We characterized some of the fundamental linear optical properties of these biaxial transparent crystals, because they have influence on nonlinear phenomena that attracted a lot of research. We determined linear properties like absorption spectra, indices of refraction, optical axes, the light speed propagation in anisotropy media and the optical damage threshold. Subsequently, we determined the phase-matching condition for SHG, efficiency of the SHG and self-phase modulation. The SHG and self-phase modulation belongs, respectively, to the second-order and third-order nonlinear processes. To study several of these properties we had to develop some new experimental techniques. One of them, the oscillatory Z-scan, allows enough sensibility to determine, for the first time, the nonlinear refraction index of these organic crystals. Besides, as all these optical characterization involve the preparation of the samples, we had the opportunity to establishing standard procedures for manipulation of these new materials.

Orientador: Carlos Lenz Cesar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T10:58:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Thomaz_AndreAlexandrede_M.pdf: 10062018 bytes, checksum: 1e19c55cb5a4e709c2015e2d90f3ac13 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A pesquisa em fotônica biomedica está claramente tomando a direção do entendimento de processos biológicos a nível celular. A resolução necessária para atingir esse objetivo requer praticamente ferramentas fotônicas. Contudo, uma integração de diferentes ferramentes fotônicas e uma aproximação funcional serão necessárias para acessar os processos biomecânicos e bioquímicos celulares. Deste modo nós podemos observar eventos bioquímicos disparados mecanicamente ou eventos mecânicos disparados bioquimicamente, ou até mesmo observar simultâneamente eventos biomecânicos e bioquímicos disparados por outros meios, entre outros, eletricamente. Uma das grandes vantagens das ferramentas fotônicas é a sua facilidade de integração. Nós desenvolvemos uma ferramenta integrada incorporando pinça óptica simples com Microscopia Confocal "Single-photon" e Multifóton. O sistema consegue realizar microscopias de fluorescência excitada pela absorção de dois fótons e geração de segundo harmônico em conjunto com manipulações ópticas. Medidas de força, elasticidade e viscosidade de membranes esticadas podem ser monitoradas em tempo real pelas microscopias confocais, bem como protozoários capturados opticamente, como, por exemplo, Trypanosoma cruzi. Nós mostraremos vários exemplos do uso de tal ferramenta integrada e seu potencial para observar processos mecânicos e bioquímicos a nível celular / Abstract: The research in biomedical photonics is clearly evolving in the direction of the understanding of biological processes at the cell level. The spatial resolution to accomplish this task practically requires photonics tools. However, an integration of different photonic tools and a multimodal and functional approach will be necessary to access the mechanical and biochemical cell processes. This way we can observe mechanicaly triggered biochemical events or biochemicaly triggered mechanical events, or even observe simultaneously mechanical and biochemical events triggered by other means, e.g. electricaly. One great advantage of the photonic tools is its easiness for integration. Therefore, we developed such integrated tool by incorporating single Optical Tweezers with Confocal Single and Multiphoton Microscopies. This system can perform 2-photon excited fluorescence and Second Harmonic Generation microscopies together with optical manipulations. Force, elasticity and viscosity measurements of stretched membranes can be followed by real time confocal microscopies. Also opticaly trapped living protozoas, such as Trypanosoma cruzi. Integration with CARS microscopy is under way. We will show several examples of the use of such integrated instrument and its potential to observe mechanical and biochemical processes at cell level / Mestrado / Física / Mestre em Física