En esta tesis se estudian algunos aspectos de la interacción de láser de femto-segundos con cristales de niobato de litio aplicada a la fabricación de guías de onda. Se analizan los campos de deformaciones residuales de la interacción que permiten generar estas guías de onda. Los principales métodos experimentales de caracterización utilizados en este análisis son: mapeos espectroscópicos μ-Raman y medidas de campo cercano de modos guiados. Las medidas experimentales se ajustaron y/ó compararon con resultados de un modelo numérico que representa una expansión arbitraria de una elipse en el seno de un material elástico. A partir de este proceso, fue posible encontrar interesantes resultados relacionados con las características de la expansión producida por la interacción. El modelo numérico utilizado se generó en entorno MATLAB y resuelve tanto el problema elástico bidimensional para una expansión arbitraria, como así también, los modos guiados originados por su deformación residual. A su vez, se presentó y aplicó un método denominado “directo” que permite obtener el campo de índice de refracción aproximado a partir de mapas μ-Raman, en guías de onda originadas por deformaciones. Este método no requiere un modelo numérico ni iteraciones. En el presente trabajo de tesis se profundiza sobre el origen de guías de onda fabricadas con láser de femtosegundos, evaluando, a su vez, distintos métodos para estudiar los campos de deformaciones y de índice de refracción. Esto tiene potencial aplicación en el diseño de dispositivos fotónicos, como así también, en el estudio del comportamiento mecánico de materiales ópticos.

Neste trabalho a variabilidade climatica do oceano Austral e a ocorrencia da Onda Circumpolar Antartica (OCA) sao investigadas. Foram usados os dados de uma simulaçao do modelo numerico acoplado do Nacional Centre for Atmospheric Research/ Community System Model - NCAR CCSM de 150 anos, e um conjunto de dados climatologicos como base de comparaçao dos dados do modelo. estes foram obtidos da Re-analise do NCEP/NCAR (National Center for Envirommental Prediction) para o periodo de janeiro de 1948 a julho de 2002. Com o intuito de analisar o comportamento sazonal e anual foram analisadas as climatologias e utilizada a tecnica de analise harmonica das variaveis de temperatura da superficie do mar (TSM), pressao ao nivel do mar (PNM), componentes meridional (Vy) e zonal (Vx) do vento. Para analisar o comportamento interanual dessas variaveis sao utilizados diagramas Hovmoeller, espectros de potencia, alem de tecnicas estatisticas como Empirical Ortogonal Functions (EOF) e singular Value Decomposition (SVD). / In this study the climatic variability of the Southern ocean and the Antarctic Circumpolar Wave (ACW) are investigated. The National Center for Atmospheric Research/ Community System Model _ NCAR CCSM coupled model 150 years simulation data is compered with the climatology data from the Nacional Center for Envirommental Prediction - NCEP/NCAR Re-analysis, for a period from january/1948 until july/2002. Annual and seasonal climatology and harmonic analysis are used for the following variables: sea surface temperature (SST), sea level pressure (SLP), meridional and zonal wind. Hovmoeller diagrams, potencial spectra and statistics methods such as Empirical Ortogonal Functions (EOF) and Singular Value Decomposition (SVD) are used to analyze changes in interannual behavior of this variables.

Neste trabalho foi desenvolvido um novo método voltado para a caracterização de lentes térmicas em materiais fotônicos, utilizados como meios ativos no desenvolvimento de lasers. Este método baseia-se em interferometria por padrão de speckle eletrônico (ESPI), utilizando dois lasers de diodo multímodo sintonizados a diferentes freqüências. Com o ajuste desta diferença, foi possível escolher uma resolução apropriada para medirmos as variações geradas no raio de curvatura da frente de onda, relacionados ao efeito térmico. Para os nossos experimentos escolhemos uma amostra vítrea de aluminato de cálcio dopado com 4% de érbio; e potências de bombeio incidentes de até 1,76 mW do laser de bombeio. Os lasers de diodo foram sintonizados para ter um intervalo de contorno por volta de 120 m. Com o aumento da potência absorvida pela amostra, observamos a diminuição da curvatura da frente de onda incidente na CCD, devido ao aumento da potência da lente térmica gerada. Através de uma análise paraxial dos feixes, foi feita uma aproximação para obtermos os valores das lentes para cada configuração, apresentando comprimentos focais de 131,39 mm a 42,76 mm. / In this work we will develop a new method focused on the caracterization of thermal lenses effect in photonic materials used as active media in lasers design. This method is based on electronic speckle pattern interferometry (ESPI) using two multimode diode lasers tuned to different frequencies. Adjusting this difference we can achieve an appropriate resolution to measure the variability generated within the curvature radius of the wavefront due to thermal lens effect. For our experiments we chose a vitreous sample of calcium aluminate doped with 4% erbium and incident pump powers ranging to 1.76mW. The diode lasers were tuned to have a contour interval of around 120m. With addition in power absorbed by the sample, we observed a decrease in the curvature radius incident on the camera due to increased power of the thermal lens generated. Through a paraxial of the wavefront, an approach was made to obtain the values of the lenses for each configuration, with focal lengths ranging from 131.39 mm to 42.76 mm.

Nesta dissertação, estudamos implicações geradas pela quebra da simetria de Lorentz na Eletrodinâmica Quântica. Analisamos férmions interagindo com um campo eletromagnético nos contextos da mecânica quântica e ao efetuar correções radiativas. Na mecânica quântica, os termos de quebra da simetria de Lorentz foram tratados como perturbações à equação de Dirac, e seus valores esperados no vácuo foram obtidos. Nas correções radiativas, a quebra da simetria de Lorentz foi introduzida nessa interação para que o termo tipo Chern-Simons pudesse ser induzido em (3+1) dimensões. Também discutimos as consequências geradas por este termo sobre as velocidades de propagação de fótons clássicos. / In this dissertation, we study the implications generated by the Lorentz breaking symmetry in quantum electrodynamics. We analyze fermions interacting with an electromagnetic field in the contexts of quantum mechanics and we make radiative corrections. In quantum mechanics, the terms of the Lorentz breaking symmetry were treated as perturbations to the Dirac equation, and their expected values were obtained in a vacuum. In the radiative corrections, the Lorentz breaking symmetry was introduced in this interaction for the Chern-Simons like term could be induced in (3 +1) dimensions. We also discussed the consequences generated by this term on the propagation speeds of classic photons.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a produção e caracterização de filmes finos do tipo GeO2-Bi2O3 (BGO) produzidos por sputtering-RF com e sem nanopartículas (NPs) semicondutoras, dopados e codopados com íons de Er3+ ou Er3+/Yb3+ para a produção de amplificadores ópticos. A produção de guias de onda do tipo pedestal baseados nos filmes BGO foi realizada a partir de litografia óptica seguida por processo de corrosão por plasma e deposição física a vapor. A incorporação dos íons de terras-raras (TRs) foi verificada a partir dos espectros de emissão. Análises de espectroscopia e microscopia foram indispensáveis para otimizar os parâmetros dos processos para a construção dos guias de onda. Foi observado aumento significativo da luminescência do Er3+ (região do visível e do infravermelho), em filmes finos codopados com Er3+/Yb3+ na presença de nanopartículas de Si. As perdas por propagação mínimas observadas foram de ~1,75 dB/cm para os guias pedestal em 1068 nm. Para os guias dopados com Er3+ foi observado aumento significativo do ganho na presença de NPs de silício (1,8 dB/cm). O ganho óptico nos guias de onda amplificadores codopados com Er3+/Yb3+ e dopados com Er3+ com e sem NPs de silício também foi medido. Ganho de ~8dB/cm em 1542 nm, sob excitação em 980 nm, foi observado para os guias pedestal codopados com Er3+/Yb3+ (Er = 4,64.1019 átomos/cm3, Yb = 3,60.1020 átomos/cm3) com largura de 80 µm; para os guias codopados com concentração superior de Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) e com NPs de Si, foi observado aumento do ganho óptico de 50% para guia com largura de 100 µm. Os resultados apresentados demonstram que guias de onda baseados em germanatos, com ou sem NPs semicondutoras, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos. / This work aims to study the production and characterization of GeO2-Bi2O3 (BGO) thin films produced by RF-sputtering with and without semiconductor nanoparticles (NPs),doped and codoped with Er3+ or Er3+/Yb3+ ions for the production of optical amplifiers. The pedestal type waveguide production based on BGO thin film was done trough optical lithography followed by reactive ion etching and physical vapor deposition processes. The incorporation of the rare-earth ions was verified from the emission spectra. Spectroscopy and microscopy analysis were indispensable to optimize the processes parameters for the waveguide fabrication. It was observed minimum propagation losses of ~1,75 dB/cm, at 1068 nm for the pedestal type waveguides. Optical gain was also measured in the Er3+/Yb3+ codoped waveguides with and without Si nanoparticles. Optical gain of 8 dB/cm, at 1542 nm, under 980nm pumping were obtained for 80 µm width Er3+/Yb3+ codoped waveguides (Er = 4,64.1019 atoms/cm3, Yb = 3,60.1020 atoms/cm3). For waveguides doped with higher concentration of Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) and containing silicon nanoparticles, it was observed 50% enhancement of the optical gain for 100 µm width waveguides. For the Er3+ doped waveguides, it was observed significant gain enhancement in the presence of silicon nanoparticles (1.8 dB/cm). The present results demonstrate that germanate waveguides, with or without semiconductor NPs are promising for applications in photonic devices.

O sistema de correntes de contorno oeste que flui ao largo da costa leste brasileira entre 15°S e 22°S, é composto pela Corrente do Brasil (CB) fluindo para sul, a Sub-Corrente Norte do Brasil (SNB) fluindo para norte e a Corrente de Contorno Oeste Profunda (CCP) também fluindo para sul. Vigorosos meandros e vórtices são observados à jusante dos Bancos de Abrolhos (BA) e Royal Charlotte (BRC) e da Cadeia Vitória-Trindade. O objetivo central desta dissertação é o estudo da estabilidade deste sistema de correntes, aqui denomidado Sistema CB-SNB-CCP, utilizando o modelo oceânico da Universidade de Princeton (POM) em um cenário idealizado. Buscamos responder o quão instável é este sistema e quais seriam as características das ondas instáveis geradas a fim de contribuir para o conhecimento acerca da rica dinâmica de meso-escala observada nesta região. Objetivamos também, elucidar o papel dos BA e BRC nesta dinâmica. Embasados na alta baroclinicidade do sistema de correntes de contorno ao largo do sudeste brasileiro, optamos por representar o escoamento CB-SNB-CCP através de um modelo paramétrico do campo de massa, calibrado com os dados hidrográficos oriundos dos Cruzeiros Abrolhos [Silveira et al., 2006]. Mantendo o caráter idealizado do estudo, também empregamos topografia de fundo analítica, onde representamos o talude da região por uma função tangente hiporbólica. O BA e o BRC foram aproximados através de funções gaussianas devidademente ajustadas aos contornos da isóbata de 80 m extraídas do conjunto ETOPO 2. Para identificar os mecanismos de crescimento das possíveis ondas instáveis, calculou-se o balanço de energia das simulações realizadas de acordo com o método de [Xue & Bane, 1997]. Os resultados de três experimentos numéricos realizados sugerem que o sistema CB-SNB-CCP é instável. Ciclones quase-estacionários do lado costeiro da CB surgem como o principal modo de variabilidade desta corrente. De acordo com a análise do balanço energético, o crescimento dessas feições resulta primariamente de instabilidade baroclínica do escoamento. A escala horizontal típica das ondas e vórtices instáveis modelados é dada pelo raio de deformação interno, como esperado pela teoria de instabilidade baroclínica de escoamentos realisticamente estratificados. Em particular, os resultados do experimento com o BA e o BRC idealizados comprovam que estes funcionam como gatilhos para o desenvolvimento de ondas instáveis, favorecendo amplamente o crescimento das estruturas verticais. Os trens de onda instáveis quase-estacionários aqui obtidos sugerem que provavelmente o meandramento da CB observado em latitudes que se estendem até 28°S pode ser parte de um único sistema que se origina na região dos BA e BRC. / The western boundary currents system that flows off the eastern brazilian coast between 15°S e 22°S is composed by the southward-flowing Brazil Current (BC), the northward-flowing North Brazil Under Current (NBUC) and the Deep Western Boundary Current (DWBC) that flows south. Vigorous meanders and eddies are observed downstream of the Abrolhos (AB) and Royal Charlotte Banks (RCB) and the Vitória-Trindade Ridge. The main goal of this dissertation is to study the stability of this currents system, hereby named BC-NBUC-DWBC system, using the Princeton University Ocean Model (POM) in an idealized scenerio. We seek to answer how unstable is this system and what are the characteristics of the unstable waves in order to contribute to the understanding of the rich mesoescale dynamics observed in this region. We also aim to elucidate the role of the AB and of the RCB on this dynamics. Based on the high degree of baroclinicity of the western boundary currents system off the southeastern brazilian coast, we opted to represent the BC-NBUC-DWBC system through a parametric model of the mass field, calibrated with hydrographic data from the Abrolhos Cruises [Silveira et al., 2006]. Maintaining the idealized character of the study, we have also employed an analytical bottom topography, in which the region\'s continental slope is approximated by hyperbolic tangent function. The AB and RCB were approximated by gaussian functions properly adjusted to the 80 m isobath extracted from the ETOPO 2 database. To identify the growth mecanism of the unstable waves, the energy budget of the simulations was calculated according to [Xue & Bane, 1997]. The results from the three experiments conducted here suggest that the BC-NBUC-DWBC system is indeed unstable. Quasi-stationary cyclones in the coastal side of BC arise as the main mode of variability of this current. According to the energy budget analisys, the growth of these features results primarily from baroclinic instability of BC-NBUC-DWBC flow. The typical horizontal scale of the modeled unstable waves and eddies is given by the internal radius of deformation, as expected by baroclinic instability theory of realistically stratified flows. The quasi-stationary unstable wave trains modeled in the present study also suggest that the meandering of the BC observed down to 28°S are probably part of a single system that originates at the AB and RCB region.

O uso do LIBS na agricultura tem crescido nos últimos anos, sendo usando na atualidade para avaliar composição elementar de solos e fertilizantes, detectar a presença de metais pesados em solos e água, monitorar a emissão de carbono para a atmosfera e predizer doenças em plantas ainda em suas primeiras fases de desenvolvimento. Esta técnica é considerada bastante promissora na agricultura devido a sua capacidade de detecção elementar rápida, com pouca ou nula necessidade de preparação da amostra e por não gerar resíduos químicos. Apesar disto, apresenta ainda grandes desafios, principalmente em amostras complexas como o solo, devido a efeitos de matriz, por exemplo. Neste cenário, a determinação das características do sistema LIBS mais adequado para a análise de solo é importante, pois isto permitirá a escolha adequada da configuração a ser usada para se obter resultados de maior acurácia. Assim, nesta tese são comparados dois sistemas experimentais LIBS com lasers de 532 nm (modelo Brilliant, da Quantel, monomodo) e 1064 nm (modelo ULTRA, da Quantel, multimodo), analisando a temperatura e densidade eletrônica do plasma através do método de Saha-Boltzmann, para em seguida verificar a condição de LTE. Para analisar qual sistema teve maior eficiência no processo de ablação se comparou as crateras formadas na amostra, por meio de MEV. A relação entre o sinal e o ruído também foi observada para picos de importantes nutrientes encontrados no solo: carbono (247,84 nm), ferro (244,45 nm), magnésio (280,27 nm) e potássio (766,48 nm). Para verificar o desempenho de ambos os sistemas na determinação quantitativa destes mesmos nutrientes, foram utilizados modelos multivariados através de PLS, como uma alternativa a calibração tradicional com o modelo univariado. Em relação ao sinal/ruído, o sistema de 1064 nm apresentou melhor resultado, a temperatura para ambos os sistemas foi semelhante e o sistema de 532 nm se mostrou mais eficiente no processo de ablação. Contudo, para a quantificação elementar, ambos os sistemas possibilitaram a construção de curvas de calibração lineares com R2 > 0, 85 utilizando PLS, enquanto que utilizando o modelo univariado a correlação foi menor a 0; 8 para todas as curvas de calibração. O RMSEP foi menor para o modelo obtido a partir do sistema de 532 nm para o ferro e carbono, enquanto que para o potássio e magnésio o sistema de 1064 nm apresentou menor RMSEP. Considerando as vantagens econômicas do laser de 1064 nm, este mostrou um excelente custo/benefício, em comparação ao laser de 532 nm, além de ser mais compacto. / The use of LIBS in agriculture has grown in recent years being currently used to evaluate the elementary composition of soils and fertilizers, to detect the presence of heavy metals in soils and water, to monitor the carbon emissions to the atmosphere and to predict diseases in plants, still in its early stages of development. This technique is considering to be very promising in agriculture because of its fast elemental detection capability, with minimum or no sample preparation and no chemical residues generation. Although, it presents great challenges, especially in complex samples such as soil, due to matrix effects, for example. In this scenario, determining the type of the most suitable LIBS system for the analysis for soil is important as this will allows the best choice of the configuration to be used obtaining more accurate results. Thus, in this thesis two experimental LIBS systems are compared with 532 nm (single mode from Quantel, Brilliant) and 1064 nm (multimode from Ultra, Quantel) lasers, analyzing the plasma temperature and electronic density through the Saha-Boltzmann method, and these will verify the lower bound of the LTE condition. In order to analyze which system had the highest efficiency in the ablation process, the craters formed in the sample were compared by MEV. The relationship between the signal and the noise was also observed for peaks of important nutrients found in the soil: carbon (247.84 nm), iron (244,45 nm), magnesium (280,27 nm) and potassium (766,48 nm)). To verify the performance of both systems to the quantitative determination of these same nutrients, the multivariate model PLS was used, as an alternative to traditional calibration with the univariate model. In relation to the signal/noise ratio, the 1064 nm laser had better results, the temperature for both systems was similar and the 532 nm laser shown more efficiency in the ablation process. However, for the elementary quantification, both systems allowed the construction of calibration linear curves with R2 > 0, 85 using PLS, whereas using a univariate model the correlation was lower than 0,8 for any of the calibration curves. The RMSEP was lower for the model obtained with the 532 nm system for iron and carbon, while for potassium and magnesium the 1064 nm laser showed RMSEP lower. Considering the economical advantages of the multimode 1064 nm laser, it shown an excellent cost benefit, in comparision of the single mode 532 nm, besides being more compact.

O presente trabalho apresenta a produção e a investigação das propriedades ópticas de guias de onda vítreos baseados no sistema PbO-GeO2, codopados com íons de érbio de itérbio e contendo nanopartículas metálicas de ouro e prata, para aplicações como dispositivos fotônicos na terceira janela de telecomunicações (1530 nm). Os guias de onda foram obtidos por meio de processos convencionais utilizados em microeletrônica usando a técnica RF Magnetron Sputtering para deposição do material sobre uma estrutura do tipo PEDESTAL. Os primeiros guias produzidos apresentaram irregularidades laterais próximas ao núcleo que contribuíram para o aumento das perdas. Mudanças no processo de fabricação como a diminuição da espessura da máscara de cromo usada para a corrosão do SiO2, etapa adicional para a corrosão e a diminuição da espessura do guia de onda proporcionaram redução das perdas por propagação e aumento do ganho óptico em ~50% estimado em 6,0 dB/cm, em 1530 nm, para um guia de onda de 80 µm de largura. Entretanto, as dificuldades para medir guias com menores larguras levaram-nos a produzir guia de onda PEDESTAL utilizando SiO2 como máscara de corrosão do silício que permitiram redução significativa das irregularidades lateral; neste caso foi possível medir a perda e o ganho em guias com largura de até 1 µm. Acrescenta-se que guias de 6 µm tiveram aumento do ganho em 50% na presença de nanopartículas de ouro, atingindo 7,5 dB/cm para potência de bombeamento de 60 mW, portanto inferior à utilizada para o caso do guia sem nanopartículas de ouro, cuja saturação do ganho ocorreu em 100 mW. Guias com nanopartículas de prata foram também produzidos, obtendo-se ganho máximo de 4,0 dB/cm para um guia de 80 µm. Os resultados obtidos nos guias de onda PbO-GeO2 codopados com Er3+ e Yb3+ são promissores e mostram possibilidade de aplicação dos guias de onda como amplificadores ópticos na terceira janela de telecomunicações. / This work presents the production and investigation of optical properties of erbium and ytterbium ions codoped PbO-GeO2 waveguides, containing metallic nanoparticles (NPs), for applications as photonic devices in the third window Telecommunications (1530 nm). The waveguides were obtained by microelectronics conventional processes and by RF Magnetron Sputtering technique using a pedestal type structure. The first pedestal waveguides presented irregulaties, in the lateral region, that contributed to the propagations losses enhancement. Changes in the fabrication process, as the decrease of the chromium used for SiO2 corrosion, additional step for the etching and decrease of the waveguide thickness provided reduction of the propagation losses and enhancement of the optical gain of about 50%; so we obtained 6.0 dB/ cm, at 1530 nm, for 80 µm waveguide width. The difficulty to measure waveguides with smaller width lead us to develop PEDESTAL waveguides using SiO2 as silicon mask for corrosion enabled the decrease of the roughness nearby the core. In this case it was possible to measure propagation losses and gain for waveguides width of 1 µm. It was obtained enhancement of 50 % for the waveguides with 6 µm width in the presence of gold NPs and the result was 7.5 dB/cm at 60 mW pumping power; for the case of the waveguide without gold NPs gain saturation occurred at 100 mW. Waveguides with silver NPs were also produced and the maximum gain was of 4.0 dB/cm for 80 µm. These results show the possibility of using Er3+and Yb3+ codoped PbO-GeO2 pedestal type waveguides as optical amplifiers in the third telecommunications window.

Neste trabalho a variabilidade climatica do oceano Austral e a ocorrencia da Onda Circumpolar Antartica (OCA) sao investigadas. Foram usados os dados de uma simulaçao do modelo numerico acoplado do Nacional Centre for Atmospheric Research/ Community System Model - NCAR CCSM de 150 anos, e um conjunto de dados climatologicos como base de comparaçao dos dados do modelo. estes foram obtidos da Re-analise do NCEP/NCAR (National Center for Envirommental Prediction) para o periodo de janeiro de 1948 a julho de 2002. Com o intuito de analisar o comportamento sazonal e anual foram analisadas as climatologias e utilizada a tecnica de analise harmonica das variaveis de temperatura da superficie do mar (TSM), pressao ao nivel do mar (PNM), componentes meridional (Vy) e zonal (Vx) do vento. Para analisar o comportamento interanual dessas variaveis sao utilizados diagramas Hovmoeller, espectros de potencia, alem de tecnicas estatisticas como Empirical Ortogonal Functions (EOF) e singular Value Decomposition (SVD). / In this study the climatic variability of the Southern ocean and the Antarctic Circumpolar Wave (ACW) are investigated. The National Center for Atmospheric Research/ Community System Model _ NCAR CCSM coupled model 150 years simulation data is compered with the climatology data from the Nacional Center for Envirommental Prediction - NCEP/NCAR Re-analysis, for a period from january/1948 until july/2002. Annual and seasonal climatology and harmonic analysis are used for the following variables: sea surface temperature (SST), sea level pressure (SLP), meridional and zonal wind. Hovmoeller diagrams, potencial spectra and statistics methods such as Empirical Ortogonal Functions (EOF) and Singular Value Decomposition (SVD) are used to analyze changes in interannual behavior of this variables.

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