Methods for analysis and optimization of volume holographic recording are presented for two main groups of applications. In the first group of applications (mainly storage systems), the designs and the techniques of volume holography are well known and the main optimization effort is finding the proper material to store the holograms. One of the results of this research is complete global optimization of dynamic range and sensitivity in two-center recording that is the best technique for persistent rewritable storage. For this purpose, a complete theoretical analysis as well as experimental demonstration is presented. Also, other effects and processes such as electron tunneling and recording at high temperature are considered for possible improvement of the dynamic range of the material. For the second group of applications (mainly holographic optical elements), the focus of this research is on analysis and optimization of the design of the volume holograms in contrast to material optimization. A new method (multi-grating method) is developed for the analysis of an arbitrary hologram that is based on the representation of the hologram as the superposition of several plane wave gratings. Based on this method, a new class of optical devices that integrates the functionalities of different optical elements into a simple volume hologram is introduced and analyzed. As a result, very compact, low cost, and easy to use devices such as portable spectrometers can be made with particular applications in biological and environmental sensing.

Orientador: Jaime Frejlich Sochaczewsky / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T17:50:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_RenataMontenegro_D.pdf: 11908190 bytes, checksum: a9fa68cda06040da547460ab983bc6e9 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Utilizamos técnicas holográcas para o estudo dos centros fotoativos em cristais fotorrefrativos da família das sillenitas. Utilizamos uma nova técnica de registro holográco autoestabilizado que permite gerar hologramas estacionários com fases holográcas arbitrárias, o que nos permitiu medir essas fases com maior precisão. A medida dessas fases, assim como da eficiência de difração, em função do campo elétrico aplicado, nos permitiu calcular alguns parâmetros importantes referentes aos centros fotoativos de titanosillenitas (Bi12TiO20) puras e dopadas. Fizemos também um estudo detalhado de um cristal de titanosillenita dopado com Vanádio (BTO:V) e verificamos que, nesse material, a participação de buracos no processo de registro holográco chega a ser igual ou até é maior que a de elétrons / Abstract: We studied photoactive centers in sillenite photorefractive materials using holographic techniques. We used a new technique of self-stabilized holographic recording that allowed us to produce stationary holograms with arbitrary holographic phases, and it allowed us to measure phases with a better accuracy. The measurement of holographic phases and the diffraction efficiency as funcion of the applied eletric field allowed us to find some important parameters related to the photoactive centers of doped and undoped titanosillenite. We also studied vanadium doped Bi12TiO20 (BTO:V) and we showed that in this material the participation of holes in the holographic recording can be as much as or higher than that of electrons / Doutorado / Ótica / Doutora em Ciências

Orientador: Jaime Frejlich Sochaczewsky / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-08T07:16:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_RenataMontenegro_M.pdf: 1833986 bytes, checksum: f8a736d33723868af878beb3568ddc63 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O objetivo desta tese foi a caracterização de materiais fotocondutores e fotorrefrativos utilizando técnicas ópticas e elétricas. A propriedade mais importante nestes materiais é a fotocondutividade e por isso nos centramos na medida dessa quantidade. Um dos materiais mais estudados em nosso laboratório, o Bi12TiO20, é pouco fotocondutor e por isso, a técnica clássica, que utiliza uma lâmpada "branca" seguida de um monocromador, para selecionar o comprimento de onda com que a amostra vai ser iluminada, mostrou-se pouco sensível. Para melhorar a sensibilidade da medida, desenvolvemos um sistema baseado num conjunto de LEDs (light-emitting diodes) quase monocromáticos, de diferentes comprimentos de onda, capazes de fornecer maior intensidade de luz do que o sistema clássico. Também propomos uma sistemática diferente para a coleta e processamento dos dados, que leva em consideração, a distribuição exponencial da luz no interior da amostra, devido à absorção¸ característica de cada material. Os resultados mostraram que o novo instrumento e o novo método de processamento de dados permitem obter mais informações sobre os materiais analisados do que seria possível utilizando a técnica clássica. A nova técnica foi aplicada ao estudo de amostras de Bi12TiO20 puro e dopado assim como de Bi12GaO20 e CdTe. Os resultados, junto com outras informações disponíveis por outras técnicas (holografia e fotocorrente modulada), permitiram detectar alguns estados localizados dentro da banda proibida destes materiais, o que é muito importante no estudo da fotocondutividade / Abstract: The objective of this work was the characterization of photoconductive and photo-refractive materials using optical and electrical techniques. The most important property of these materials is photoconductivity so that we concentrated in the measurement of this quantity. One of the most studied materials in our laboratory, Bi12TiO20, is poorly photoconductive and, because of that, the standard technique using a white lamp followed by a monochromator, to select the illumination wavelength on the sample, has shown a very poor sensistivity. In order to improve the measurement we have therefore developed a system based on an array of almost monochromatic LEDs (Light-Emitting Diodes) with different wavelengths, which are able to provide with greater light intensity than with the classical system. We also propose a different system for the data collection and processing, which considers the exponential distribution of light along the sample¿s thickness, due to the characteristic bulk absorption of these materials. Our results have shown that the new instrument and the new data processing method allow us to obtain much more information about the materials under analysis than would be possible with the classical method. The new technique was applied to the study of pure and doped B i12TiO20, as well as Bi12Ga O20 and CdTe. The results, together with further information obtained from other techniques (holography and modulated photocurrent), have allowed us to detect some localized states inside the bandgap of the materials and therefore get a better insight of their structure that is very important for the understanding of their photoconductivity properties / Mestrado / Propriedades Óticas e Espectroscopia da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientador: Jaime Frejlich Sochaczewsky / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T12:26:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kumamoto_RodrigoEduardoFraga_M.pdf: 7693773 bytes, checksum: 4d2e2c4cc9a1dcef80b69166df4341d2 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre o efeito de força fotoeletromotriz produzida por um padrão de speckle espacialmente oscilante quando projetado sobre materiais fotocondutores ou fotorrefrativos. Dentre as contribuições desse trabalho podemos citar o aperfeiçoamento tanto do modelo teórico existente quanto do uso desse fenômeno para medida de vibrações mecânicas transversais. Basicamente, o efeito de força fotoeletromotriz gera uma fotocorrente AC com a mesma frequência do padrão oscilante e uma magnitude que depende da amplitude com que o padrão luminoso oscila espacialmente. A partir de nosso modelo teórico foi possível prever a existência de um máximo valor para a fotocorrente, que ocorreria para uma determinada amplitude de vibração relacionada ao tamanho médio do speckle. Con rmamos experimentalmente a existência desse máximo, embora o valor seja um pouco diferente do esperado teoricamente. Medimos a resposta em frequência da fotocorrente e relacionamos os resultados com as respostas temporais características do material fotocondutor. Para realização das medidas experimentais desenvolvemos um sensor de vibração mecânica baseado no efeito de força fotoeletromotriz, demonstrando a aplicabilidade para medidas de amplitude e de frequência de oscilação de uma superfície vibrante. O sensor é constituído por um cristal fotocondutor e por uma eletônica de amplificação. Um laser é direcionado até um alvo vibrante e a luz retroespalhada, na forma de um padrão de speckle, é focalizada sobre o cristal fotorrefrativo, gerando o efeito speckle-foto-fem. Os cristais utilizados foram o Bi12TiO20 e CdTe:V sob iluminação de 532nm e 1064nm, respectivamente. O sistema mostrou ser interessante tanto para a medida de vibrações mecânicas quanto para a caracterização dos materiais usados como sensores / Abstract: This paper presents a study about photoelectromotive force effect produced by a spatially oscillating \ speckle" pattern when projected onto photoconductive or photorefractive materials. Among the contributions of this paper we can mention the improvement of both the existing theoretical model and use this phenomenon to measure the transverse mechanical vibrations. Basically, the effect of photoelectromotive force generates an AC photocurrent with the same frequency of the oscillating pattern and a magnitude which depends on the amplitude to which the light pattern varies spatially. From our theoretical model, we could predict the existence of a maximum value for the photocurrent, which occurs for a given vibration amplitude related to the average size of the \speckle". We con rmed experimentally the existence of this maximum, but the value is a little different than theoretically expected. We measured the frequency response of the photocurrent and related the results with the temporal response characteristics of the photoconductive material. To perform the experimental measurements we developed a mechanical vibration sensor based on photoelectromotive force effect, demonstrating the applicability for measurements of amplitude and frequency of a vibrating surface. The sensor consists of a photoconductive crystal and an electronic amplification. Light from a laser is directed to a target vibrant and the backscattered light in the form of a speckle pattern is focused on the photoconductive crystal. The crystals used were Bi12TiO20 and CdTe:V under illumination of 532nm and 1064nm, respectively. The system is interesting both for mechanical vibrations measurements and for materials characterization / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientador: Jaime Frejlich / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-05T13:36:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_Ivande_D.pdf: 718797 bytes, checksum: 32fec7f75d9afd6a59509cc66293c0d3 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho foram realizadas contribuições importantes na área de registro holográfico auto-estabilizado em niobato de lítio (LiNbO3:Fe) e do estudo da dinâmica da formação e evolução dos hologramas durante as diferentes etapas da fixação. Outras contribuições importantes neste trabalho referem-se ao desenvolvimento de técnicas mais eficientes e/ou mais simples para a fixação de hologramas. Em termos de registro auto-estabilizado, nosso trabalho permitiu o uso dessas técnicas para obtermos hologramas com alta eficiência de difração e de forma reprodutível. O registro holográfico auto-estabilizado em niobato de lítio já tinha sido utilizado anteriormente. A novidade aqui reside no estudo detalhado da dinâmica do processo, que permitiu uma melhor compreensão das possibilidades e limitações da técnica, incluindo o estudo detalhado do efeito do grau de oxidação (isto é, da relação [Fe3+]/[Fe2+]) do material sobre o comportamento do sistema de estabilização. Em função dos estudos acima referidos que permitiram uma melhor compreensão dos processos, foi possível desenvolver uma técnica de fixação para cristais oxidados que permitiu obter redes fixas com alta eficiência de difração, com valores previzíveis em função das propriedades do cristal e de forma reprodutível. O registro auto-estabilizado foi aplicado com sucesso, pela primeira vez, à técnica de fixação (registro e compensação) a alta temperatura, de forma muito mais simples do que a técnica clássica, e que permitiu obter excelentes resultados mesmo com amostras reduzidas, para as quais o processo clássico não funciona satisfatoriamente. Paralelamente mostramos teórica e experimentalmente os problemas associados à medida da eficiência de difração em hologramas espessos. Mostramos que o uso de um feixe auxiliar (frequentemente utilizado) para este tipo de medida leva a erros consideráveis e para este caso propomos uma forma muito simples de realizar essa medida / Abstract: In this work important contributions to the field and to the self stabilized holographic record in litium niobate were achieved and to the dynamic formation and hologram evolution study during different fixing stages. Other important contributions in this work refer to more efficient technique development and/or simpler ones to hologram fixing. On terms of self stabilized record our work allowed the use of these techniques to obtain some holograms with high efficiency diffractions and in a reproducible form. The self stabilized holographic record in litium niobate had already been used before. The new point here is the detailed study about the process dynamic which allowed a better understanding of the technique possibilities and limitations including the detailed study of the effect of the oxidation degree (thus the relation [Fe3+]/[Fe2+]) of the material about the stabilization system behaviour. According to the referred studies above which permitted a better understanding of the process, it was possible to develop the oxidated crystals fixing technique which permitted to get fixed nets with high diffractions efficience with predictable values according to the crystals properties and in a reproducible form. The self stabilized record was applied sucessfully to the fixing technique (recording and compensation) for the first time to high temperature in a so much simpler form than the classical one which permitted to obtain excellent results even using reduced samples to which the classical process has not worked satisfactionally. Parallel to this, we showed (theoric and experimentally) the associated problems to the diffraction efficience in thick holograms. We showed the use of an auxiliar bin (frequently used) for this kind of measure results in considerable errors and to this case we propose a so much simpler form of achieving this measure / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

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Orientadores: Rangel Arthur, Jaime Frejlich / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia / Made available in DSpace on 2018-08-27T09:07:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Araujo_WilliamRobertode_M.pdf: 5397089 bytes, checksum: d2eae9ba62023ba097143f2d74e0fd24 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um instrumento capaz de realizar medidas em materiais fotossensíveis. Para estudar materiais fotossensíveis, por exemplo, o Bi12TO20, que em geral geram correntes muito baixas da ordem de dezenas de picoamperes, fez-se necessário obter um instrumento capaz de medir nessa ordem de grandeza e com baixo ruído. Para identificar estados localizados dentro do band gap de um semicondutor, que são gerados por defeitos estruturais, é necessário ter uma intensidade de luz com energia acima do nível de Fermi que consiga penetrar no semicondutor, e pelos testes realizados não foram facilmente detectados pela técnica convencional, fonte de luz branca seguida de um monocromador. O uso de LED (Light Emitting Diode) se mostrou promissor por ser barato e ter uma intensidade de luz muito maior que a luz monocromática produzida pelo monocromador. O instrumento possui um computador embarcado (Raspberry PI) que realiza o controle do hardware e possui uma interface Ethernet para conexão remota. O hardware é composto de: uma fonte de alimentação para controle da intensidade e modulação para os LEDs, um controle do posicionamento dos LEDs na amostra, um controle da fonte de alta tensão e um sistema de detecção síncrona para melhor coleta dos dados. Os testes realizados com amostra Bi12TO20 se mostrou compatível com resultados já apresentados pela literatura / Abstract: This work aims to an instrument to perform measurements in photosensitive materials. To study photosensitive materials, for example, Bi12TO20, it was necessary to obtain an instrument capable of measuring the scale and with low noise, which generally lead to very low currents on the order of tens of picoamperes. To identify located states within the band gap of a semiconductor, which structural defects are generated, it is necessary to have a light intensity with energy above the Fermi level can penetrate into the semiconductor, and the tests were not easily detected by the technique conventional white light source followed by a monochromator. The use of LED (Light Emitting Diode) has shown promise for being cheap and having a much higher light intensity that monochromatic light produced by the monochromator. The instrument has an embedded computer (Raspberry-PI) that performs hardware the control and an Ethernet interface for remote connection. The hardware is comprised of: a power supply for the control of intensity and modulation for the LED, a control of the positioning of LEDs on the sample, a high voltage supply control and a synchronous detection system for improved data acquisition. The results of performed tests with sample Bi12TO20 were compatible with results have been presented in the literature / Mestrado / Tecnologia e Inovação / Mestre em Tecnologia

Laser beams can be manipulated by volume diffractive elements in addition to conventional optical elements like mirrors, lenses, and beam splitters. Conventional optical elements can be described by applying the basic laws of reflection and refraction at the surfaces of the elements. Even diffraction by surface gratings utilizes relatively simple mathematics. This is to be contrasted with the volume diffraction, which requires coupled wave theory in the slowly varying envelope approximation (SVEA) to obtain accurate results. Efficient spatially distributed diffraction of laser beams is possible due to the high coherence of laser light, and it occurs at specific resonant Bragg conditions. This research work is inspired and driven by the successful development of recording technology for robust, high-efficiency volume Bragg gratings (VBGs) in photo-thermo-refractive (PTR) glass. Mostly VBGs of the reflective type are discussed in this dissertation. Starting with an analysis of electro-magnetic wave propagation in layered media, we have reformulated Fresnel and volume reflection phenomena in terms of a convenient parameter – strength of reflection. The influence that the different non-uniformities inside a VBG have on its spectral properties has been examined. One important result of this work is the proposal of moiré VBG and the derivation of an analytical expression for its bandwidth. A multiplexed VBG used as a coherent combiner is discussed as well. Beam distortion via transmission through and/or reflection by a heated VBG due to residual absorption is analyzed.

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<p>The goal of this research project is to synthesize, characterize, and examine the properties of a material that undergoes a decrease in refractive index upon exposure to light. It is anticipated that such photoresponses could elicit previously unknown nonlinear phenomena including self-trapped black beams. An appropriate material for these investigations would be a polymer cross-linked by photocleavable groups causing a Δ<em>n</em> < 0. Organo-ditellurides, molecules that contain a Te-Te bond, would be appropriate for the crosslinks as their σ*_Te-Te ← n_Te transition usually absorbs light between 400 and 500 nm, and can lead to photodissociation of the chalcogen-chalcogen bond.</p> <p>Initial attempts to directly functionalize a polymer (polystyrene) resulted in intractable solids. A more promising approach relies on the preparation of cross-linking agents followed by co-polymerization. Despite literature claims, to date, there is no structurally authenticated photoresponsive molecule that simultaneously contains vinyl (CH=CH) and telluride (-Te-) functional groups. The work in this thesis has yielded what would be the first example, in addition to a crystal structure obtained by X-ray diffraction, the compound has been characterized by multinuclear NMR (¹H, ¹³C, ¹²⁵Te) and vibrational spectroscopy with the support of DFT calculations.</p> / Master of Science (MSc)