This diploma thesis is divided into two main parts. The first section is dedicated to the history and development of the laser technology. The second part describes all individual types of laser technology which are used in the industry nowadays. The next section follows with the research of various laser devices which serve mainly as a cutting tool. This knowledge gathered in the previous part was used to create the next part including the own conception of the machine. The second half of this diploma thesis deals with a research of software available at the market today. Eventually, after summarizing the characteristics of each software, the new concept and implementation of own software are made. In the final section, there are mentioned the possible extension and available upgrades. The reader should be able to create his/her own conception of the laser device and software after reading and understanding this paper.

This diploma thesis is divided into two main parts. The first section is dedicated to the history and development of the laser technology. The second part describes all individual types of laser technology which are used in the industry nowadays. The next section follows with the research of various laser devices which serve mainly as a cutting tool. This knowledge gathered in the previous part was used to create the next part including the own conception of the machine. The second half of this diploma thesis deals with a research of software available at the market today. Eventually, after summarizing the characteristics of each software, the new concept and implementation of own software are made. In the final section, there are mentioned the possible extension and available upgrades. The reader should be able to create his/her own conception of the laser device and software after reading and understanding this paper.

This thesis deals with the possibilities of cutting strong steel metal sheets by means of laser and problems rising from the incision, their technological investigation. The basic philosophy consists on the research of the interaction between laser bunch and material, depending on the position of focal poin and sequential results in spec. heat. It determines the main parametres of the incision (from the total quantities and matematical description) which have the biggest effect on the occurence of wide cut and perhaps even on the quality of products and consequential optimalization of these quantities.

A combinação de célula eletroquímica (EC) com a entrada do equipamento de eletroforese capilar (CE), apesar de recente, tem permitido realizar determinação de ânions radicais; pré-concentração eletroquímica de metais pesados, seguida de redissolução, separação e detecção; bem como monitorar produtos carregados formados por oxidação eletrocatalítica de espécies neutras, como álcoois primários e glicerol. Empregando o sistema EC-CE-C4D desenvolvido pelo grupo, a determinação simultânea de cátions, ânions (no contra fluxo) e espécies neutras (detectadas após derivatização eletroquímica) foi demonstrada pela primeira vez, tendo o antisséptico bucal (Listerine® Tartar Control) como amostra real. Embora constante e reprodutível, a conversão dos álcoois primários nos respectivos carboxilatos apresentou rendimento relativamente baixo, ~16%, nas condições anteriormente adotadas, 1,6 V vs. Ag/AgClKCl 3M empregando eletrodo de platina em meio ácido (HNO3 5 mmol L-1 / HCl 1 mmol L-1). Dessa maneira, avaliou-se a oxidação de álcoois primários de cadeia normal (C2 − C5) sobre diferentes materiais de eletrodo (ouro e platina) em diferentes meios (ácido, neutro e alcalino). Os carboxilatos gerados foram monitorados injetando uma alíquota da amostra derivatizada no capilar (50 µm d.i., 45 cm de comprimento e 20 cm efetivo) aplicando 5 kPa durante 5 s, e durante as separações, 30 kV foi aplicado entre as extremidades do capilar preenchido com Tris 30 mmol L-1 / HCl 10 mmol L-1 usado como BGE. Os resultados obtidos com o sistema EC-CE-C4D apontaram maior conversão dos álcoois nos respectivos ácidos carboxílicos em meio ácido, tanto em ouro quanto em platina. Adicionalmente, em eletrodo de ouro a formação dos carboxilatos apresentou certa seletividade não observada sobre platina, favorecendo a conversão dos álcoois de cadeia menor. Noutra vertente, buscando atender as necessidades atuais por metodologias que possibilitem monitorar a eletrooxidação do glicerol em reatores eletroquímicos, desenvolveu-se um método que permitiu determinar simultaneamente o glicerol e alguns de seus possíveis produtos de oxidação neutros, como gliceraldeído e dihidroxiacetona, explorando a formação de complexo carregado com borato (presente no BGE composto por H3BO3 60 mmol L-1 / LiOH 30 mmol L-1), além dos produtos ionizáveis (ácidos carboxílicos) que são comumente analisados por CE. O equipamento de CE utilizado, munido de dois detectores C4D, também permitiu avaliar a interação de alguns ácidos carboxílicos com os modificadores de EOF, Polybrene® e CTAB, empregando MES 30 mmol L-1 / His 30 mmol L-1 como BGE. Seguindo a atual tendência à miniaturização de sistemas analíticos, avaliou-se a possibilidade de construir um sistema EC-CE-C4D miniaturizado. Para isso, um novo método para fabricação de microdispositivos em vidro, baseado em ablação a laser de CO2 assistida por parafina, como alternativa aos dispendiosos métodos de corrosão por via úmida foi desenvolvido. Os dispositivos obtidos por esse método apresentaram canais de perfil semicircular, e as dimensões puderam ser controladas variando a potência e/ou a velocidade de ablação do laser. Contudo, pelos desafios ainda encontrados para se construir um sistema EC-CE-C4D completo em substrato de vidro por ablação a laser de CO2, optou-se por iniciar a miniaturização do sistema EC-CE-C4D com um sistema híbrido em que se aproveita as características mais bem definidas e favoráveis dos tubos capilares de sílica fundida usados em CE convencional. Esse sistema permitiu a determinação quantitativa de metanol na presença de alta concentração de etanol, possibilitando, numa primeira aplicação, realizar o monitoramento da quantidade de metanol e etanol nas frações iniciais coletada durante o processo de destilação fracionada na produção de uísque de milho (moonshine) feito em laboratório. Visto a maior seletividade para conversão dos álcoois de cadeia menor obtidas em eletrodo de ouro e meio ácido, esse foi escolhido para a presente aplicação. As condições que apresentaram melhores resultados no sistema híbrido EC-CE-C4D abrangeram diluição de 100 vezes da amostra em HNO3 2 mmol L-1, eletrooxidação a 1,4 V vs. Ag durante 60 s, injeção eletrocinética no capilar mediante aplicação de 3 kV durante 4 s, e a separação dos carboxilatos realizada aplicando 3 kV entre as extremidades do capilar (50 µm d.i., 15 cm de comprimento com 12 cm efetivo), preenchido com CHES 10 mmol L-1 / NaOH 5 mmol L-1, usado como BGE. A análise das primeiras frações destiladas da \"labmade moonshine\" apresentou um aumento na concentração de etanol (variando de ~80 % a ~100 %) e simultâneo decréscimo da concentração de metanol (variando de 4 % a ~0,1 %). Em suma, avançou-se tanto no leque de aplicações da derivatização eletroquímica hifenizada com a eletroforese capilar como na miniaturização da instrumentação analítica para EC-CE-C4D, favorecendo a disseminação dessa poderosa combinação de três técnicas eletroquímicas. / The direct couple of electrochemical cell (EC) with the inlet of the capillary electrophoresis (CE) equipment, recently demonstrated, has allowed the determination of radical anions; to perform electrochemical preconcentration of traces of heavy metals, followed by stripping, injection, separation and detection; and the generation of charged species by electrochemical oxidation of neutral molecules, e.g. primary alcohols and glycerol. Employing the EC-CE-C4D system developed by our group, the simultaneous determination of cations, anions (in the counter EOF mode) and neutral species (after electrochemical derivatization) was demonstrated for the first time and a mouthwash (Listerine® Tartar Control) was used as a real sample. Although constant and reproducible, the conversion of primary alcohols into carboxylates had a low yield (~16%), under the adopted conditions, 1.6 V vs. Ag/AgClKCl 3M using platinum electrode in acid medium (5 mmol L-1 HNO3 / 1 mmol L-1 HCl). Thus, the yield of carboxylates was studied for the oxidation of alcohols (C2 − C5) on two electrode materials (gold and platinum) in different media (acid, neutral and alkaline). After the electrooxidation step an aliquot of the derivatized sample was automatically injected into the capillary (50 µm i.d., 45 cm in length and 20 cm up to detector) by applying 5 kPa during 5 s. The separation was carried out applying 30 kV between the capillary ends previously filled with 30 mmol L-1 Tris / 10 mmol L-1 HCl BGE. Cyclic voltammograms show higher current density for alcohols oxidation in alkaline medium than in acid one both on gold and platinum electrodes. On the other hand the yields of carboxylic acids were higher in acidic medium. Besides that, only on gold electrode some selectivity for the carboxylate formation was observed favoring the conversion of the short chain alcohols. In order to meet the current needs for methodologies that allow the monitoring of the electrooxidation of glycerol in electrochemical reactors, a method was also developed that allowed the determination of glycerol and some of its possible neutral oxidation products, such as glyceraldehyde and dihydroxyacetone, by exploring the formation of borate complexes (provided in the BGE composed of 60 mmol L-1 H3BO3 / 30 mmol L-1 LiOH), together with ionizable ones like carboxylic acids. The employed CE equipment with two C4D detectors allowed the evaluation of the interaction between some carboxylic acids and the EOF modifiers, Polybrene® and CTAB, using 30 mmol L-1 MES / 30 mmol L-1 His as BGE. Aligned with a current trend of analytical instrumentation, the miniaturized EC-CE-C4D system was attempted. For that, a new method for manufacturing microdevices in glass, based on paraffin-assisted CO2 laser ablation, was developed as an alternative to costly wet-etching methods. The devices obtained by this method presented channels of semicircular profile and the dimensions could be controlled by varying the laser power and/or ablation velocity. Due to remaining challenges in the construction of a complete laser ablated EC-CE-C4D system on glass, a miniaturized system based on a hybrid approach is presented in the thesis, by taking advantage of the more defined and favorable characteristics of the well known fused silica capillary tubes used in CE. This system allowed the quantitative determination of methanol in the presence of high ethanol concentration by taking advantage of the higher yield of short-chain carboxylic acid formation on gold in acidic medium. The first application was the monitoring of the amount of methanol and ethanol in the initial fractions collected during the fractional distillation process in the production of corn whiskey (moonshine) made in the laboratory. The conditions that showed the best results with the hybrid EC-CE-C4D system included a 100-fold dilution of the sample in 2 mmol L-1 HNO3, electrooxidation at 1.4 V vs. Ag for 60 s, electrokinetic injection into the capillary by applying 3 kV for 4 s and separation of the carboxylates carried out under 3 kV between the ends of the capillary (50 µm i.d., 15 cm in length and 12 cm up to detector) previously filled with 10 mmol L-1 CHES / 5 mmol L-1 NaOH, used as BGE. Analysis of the first distilled fractions of labmade moonshine showed an increase in ethanol concentration (ranging from ~ 80% to ~ 100%) and a simultaneous decrease in methanol concentration (ranging from 4% to ~ 0.1%). In short, both the range of applications of electrochemical derivatization hyphenated with capillary electrophoresis as well the miniaturization of analytical instrumentation for EC-CE-C4D were improved, favoring the dissemination of this powerful combination of three electrochemical techniques.

A combinação de célula eletroquímica (EC) com a entrada do equipamento de eletroforese capilar (CE), apesar de recente, tem permitido realizar determinação de ânions radicais; pré-concentração eletroquímica de metais pesados, seguida de redissolução, separação e detecção; bem como monitorar produtos carregados formados por oxidação eletrocatalítica de espécies neutras, como álcoois primários e glicerol. Empregando o sistema EC-CE-C4D desenvolvido pelo grupo, a determinação simultânea de cátions, ânions (no contra fluxo) e espécies neutras (detectadas após derivatização eletroquímica) foi demonstrada pela primeira vez, tendo o antisséptico bucal (Listerine® Tartar Control) como amostra real. Embora constante e reprodutível, a conversão dos álcoois primários nos respectivos carboxilatos apresentou rendimento relativamente baixo, ~16%, nas condições anteriormente adotadas, 1,6 V vs. Ag/AgClKCl 3M empregando eletrodo de platina em meio ácido (HNO3 5 mmol L-1 / HCl 1 mmol L-1). Dessa maneira, avaliou-se a oxidação de álcoois primários de cadeia normal (C2 − C5) sobre diferentes materiais de eletrodo (ouro e platina) em diferentes meios (ácido, neutro e alcalino). Os carboxilatos gerados foram monitorados injetando uma alíquota da amostra derivatizada no capilar (50 µm d.i., 45 cm de comprimento e 20 cm efetivo) aplicando 5 kPa durante 5 s, e durante as separações, 30 kV foi aplicado entre as extremidades do capilar preenchido com Tris 30 mmol L-1 / HCl 10 mmol L-1 usado como BGE. Os resultados obtidos com o sistema EC-CE-C4D apontaram maior conversão dos álcoois nos respectivos ácidos carboxílicos em meio ácido, tanto em ouro quanto em platina. Adicionalmente, em eletrodo de ouro a formação dos carboxilatos apresentou certa seletividade não observada sobre platina, favorecendo a conversão dos álcoois de cadeia menor. Noutra vertente, buscando atender as necessidades atuais por metodologias que possibilitem monitorar a eletrooxidação do glicerol em reatores eletroquímicos, desenvolveu-se um método que permitiu determinar simultaneamente o glicerol e alguns de seus possíveis produtos de oxidação neutros, como gliceraldeído e dihidroxiacetona, explorando a formação de complexo carregado com borato (presente no BGE composto por H3BO3 60 mmol L-1 / LiOH 30 mmol L-1), além dos produtos ionizáveis (ácidos carboxílicos) que são comumente analisados por CE. O equipamento de CE utilizado, munido de dois detectores C4D, também permitiu avaliar a interação de alguns ácidos carboxílicos com os modificadores de EOF, Polybrene® e CTAB, empregando MES 30 mmol L-1 / His 30 mmol L-1 como BGE. Seguindo a atual tendência à miniaturização de sistemas analíticos, avaliou-se a possibilidade de construir um sistema EC-CE-C4D miniaturizado. Para isso, um novo método para fabricação de microdispositivos em vidro, baseado em ablação a laser de CO2 assistida por parafina, como alternativa aos dispendiosos métodos de corrosão por via úmida foi desenvolvido. Os dispositivos obtidos por esse método apresentaram canais de perfil semicircular, e as dimensões puderam ser controladas variando a potência e/ou a velocidade de ablação do laser. Contudo, pelos desafios ainda encontrados para se construir um sistema EC-CE-C4D completo em substrato de vidro por ablação a laser de CO2, optou-se por iniciar a miniaturização do sistema EC-CE-C4D com um sistema híbrido em que se aproveita as características mais bem definidas e favoráveis dos tubos capilares de sílica fundida usados em CE convencional. Esse sistema permitiu a determinação quantitativa de metanol na presença de alta concentração de etanol, possibilitando, numa primeira aplicação, realizar o monitoramento da quantidade de metanol e etanol nas frações iniciais coletada durante o processo de destilação fracionada na produção de uísque de milho (moonshine) feito em laboratório. Visto a maior seletividade para conversão dos álcoois de cadeia menor obtidas em eletrodo de ouro e meio ácido, esse foi escolhido para a presente aplicação. As condições que apresentaram melhores resultados no sistema híbrido EC-CE-C4D abrangeram diluição de 100 vezes da amostra em HNO3 2 mmol L-1, eletrooxidação a 1,4 V vs. Ag durante 60 s, injeção eletrocinética no capilar mediante aplicação de 3 kV durante 4 s, e a separação dos carboxilatos realizada aplicando 3 kV entre as extremidades do capilar (50 µm d.i., 15 cm de comprimento com 12 cm efetivo), preenchido com CHES 10 mmol L-1 / NaOH 5 mmol L-1, usado como BGE. A análise das primeiras frações destiladas da \"labmade moonshine\" apresentou um aumento na concentração de etanol (variando de ~80 % a ~100 %) e simultâneo decréscimo da concentração de metanol (variando de 4 % a ~0,1 %). Em suma, avançou-se tanto no leque de aplicações da derivatização eletroquímica hifenizada com a eletroforese capilar como na miniaturização da instrumentação analítica para EC-CE-C4D, favorecendo a disseminação dessa poderosa combinação de três técnicas eletroquímicas. / The direct couple of electrochemical cell (EC) with the inlet of the capillary electrophoresis (CE) equipment, recently demonstrated, has allowed the determination of radical anions; to perform electrochemical preconcentration of traces of heavy metals, followed by stripping, injection, separation and detection; and the generation of charged species by electrochemical oxidation of neutral molecules, e.g. primary alcohols and glycerol. Employing the EC-CE-C4D system developed by our group, the simultaneous determination of cations, anions (in the counter EOF mode) and neutral species (after electrochemical derivatization) was demonstrated for the first time and a mouthwash (Listerine® Tartar Control) was used as a real sample. Although constant and reproducible, the conversion of primary alcohols into carboxylates had a low yield (~16%), under the adopted conditions, 1.6 V vs. Ag/AgClKCl 3M using platinum electrode in acid medium (5 mmol L-1 HNO3 / 1 mmol L-1 HCl). Thus, the yield of carboxylates was studied for the oxidation of alcohols (C2 − C5) on two electrode materials (gold and platinum) in different media (acid, neutral and alkaline). After the electrooxidation step an aliquot of the derivatized sample was automatically injected into the capillary (50 µm i.d., 45 cm in length and 20 cm up to detector) by applying 5 kPa during 5 s. The separation was carried out applying 30 kV between the capillary ends previously filled with 30 mmol L-1 Tris / 10 mmol L-1 HCl BGE. Cyclic voltammograms show higher current density for alcohols oxidation in alkaline medium than in acid one both on gold and platinum electrodes. On the other hand the yields of carboxylic acids were higher in acidic medium. Besides that, only on gold electrode some selectivity for the carboxylate formation was observed favoring the conversion of the short chain alcohols. In order to meet the current needs for methodologies that allow the monitoring of the electrooxidation of glycerol in electrochemical reactors, a method was also developed that allowed the determination of glycerol and some of its possible neutral oxidation products, such as glyceraldehyde and dihydroxyacetone, by exploring the formation of borate complexes (provided in the BGE composed of 60 mmol L-1 H3BO3 / 30 mmol L-1 LiOH), together with ionizable ones like carboxylic acids. The employed CE equipment with two C4D detectors allowed the evaluation of the interaction between some carboxylic acids and the EOF modifiers, Polybrene® and CTAB, using 30 mmol L-1 MES / 30 mmol L-1 His as BGE. Aligned with a current trend of analytical instrumentation, the miniaturized EC-CE-C4D system was attempted. For that, a new method for manufacturing microdevices in glass, based on paraffin-assisted CO2 laser ablation, was developed as an alternative to costly wet-etching methods. The devices obtained by this method presented channels of semicircular profile and the dimensions could be controlled by varying the laser power and/or ablation velocity. Due to remaining challenges in the construction of a complete laser ablated EC-CE-C4D system on glass, a miniaturized system based on a hybrid approach is presented in the thesis, by taking advantage of the more defined and favorable characteristics of the well known fused silica capillary tubes used in CE. This system allowed the quantitative determination of methanol in the presence of high ethanol concentration by taking advantage of the higher yield of short-chain carboxylic acid formation on gold in acidic medium. The first application was the monitoring of the amount of methanol and ethanol in the initial fractions collected during the fractional distillation process in the production of corn whiskey (moonshine) made in the laboratory. The conditions that showed the best results with the hybrid EC-CE-C4D system included a 100-fold dilution of the sample in 2 mmol L-1 HNO3, electrooxidation at 1.4 V vs. Ag for 60 s, electrokinetic injection into the capillary by applying 3 kV for 4 s and separation of the carboxylates carried out under 3 kV between the ends of the capillary (50 µm i.d., 15 cm in length and 12 cm up to detector) previously filled with 10 mmol L-1 CHES / 5 mmol L-1 NaOH, used as BGE. Analysis of the first distilled fractions of labmade moonshine showed an increase in ethanol concentration (ranging from ~ 80% to ~ 100%) and a simultaneous decrease in methanol concentration (ranging from 4% to ~ 0.1%). In short, both the range of applications of electrochemical derivatization hyphenated with capillary electrophoresis as well the miniaturization of analytical instrumentation for EC-CE-C4D were improved, favoring the dissemination of this powerful combination of three electrochemical techniques.

Ce manuscrit présente une expérience totalement nouvelle visant à mesurer la constante de Boltzmann par une méthode de spectroscopie laser. Cette constante est déduite de la largeur à mi-hauteur d'un profil d'absorption linéaire d'un gaz d'ammoniac à température contrôlée. Sur le plan théorique, cette expérience nécessite une analyse très poussée de la forme de raie en absorption linéaire.<br />Dans ce mémoire, je décris les solutions apportées pour obtenir un faisceau laser de fréquence parfaitement contrôlée, largement accordable autour de 10 µm et d'intensité constante. Je décris également les options retenues pour le contrôle en température du gaz d'ammoniac.<br />Les résultats obtenus sont très encourageants, nous avons après seulement 2 ans déjà obtenu une première mesure de la constante de Boltzmann avec une incertitude relative de 1,9X10-4: k=1,38065(26)X10-23 J.K-1.<br />Dans ce manuscrit, je présente également plusieurs voies d'amélioration à court et moyen termes.<br />Je présente enfin une expérience de franges de Ramsey-Bordé référencée sur l'étalon primaire de fréquence localisé à Paris (au SYRTE). La chaîne de mesure absolue de fréquence atteint une résolution de 10-14 et l'incertitude pour la mesure de la frange centrale est également de l'ordre de 10-14. A moyen terme, ce système de mesure par rapport à l'étalon primaire pourra être utilisé pour contrôler la fréquence du laser à CO2 dans les futures expériences de mesure de la constante de Boltzmann.