Made available in DSpace on 2014-06-12T18:06:19Z (GMT). No. of bitstreams: 3 arquivo8048_1.pdf: 6365494 bytes, checksum: 406c406ca9ad6972359eadf836c1dc38 (MD5) arquivo8048_2.pdf: 4343570 bytes, checksum: c108c9120c55cfbd20c4124d195741ae (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2002 / Nesta tese, investigamos a atuação de trens de pulsos ultracurtos sobre sistemas atômicos de dois e três níveis para os quais os tempos de vida das transições são maiores que o período de repetição do laser. Realizamos experimentos que mostram que a acumulação de excitação no meio leva ao surgimento de novos batimentos em um sinal de controle temporal coerente obtido a partir de uma transição seqüencial de um vapor de rubídio, onde a fluorescência dos estados excitados é medida em função do atraso relativo entre dois pulsos de excitação. Oferecemos uma primeira explicação para esses resultados utilizando uma teoria analítica simplificada que leva em conta acumulação apenas na população do nível mais excitado. Em seguida, revisitamos o problema da interação coerente de um átomo de dois níveis com um longo trem de pulsos, considerando a existência de fases relativas entre os pulsos do trem. Obtivemos uma expressão analítica para o estado estacionário do sistema que é válida para qualquer área de pulso e para dessintonias bem maiores que a largura inomogênea do meio. Ilustramos o efeito da acumulação de coerência num sistema de dois níveis com um experimento de absorção saturada em que um laser contínuo sonda a atuação de um laser de fentosegundos sobre o perfil Doppler de um vapor de rubídio. Finalmente, desenvolvemos uma teoria perturbativa para tratar o caso de um átomo de três níveis levando em conta acumulação em todas as populações e coerências, e discutimos o efeito da forma da envoltória do pulso sobre o processo de acumulação. Utilizamos então esta teoria para corroborar a explicação simplificada que demos para nossos resultados relacionados ao controle temporal coerente

Neste trabalho foi investigado o controle do processo de fluorescência excitada por absorção de dois fótons no polímero conjugado MEH-PPV, utilizando um sistema de formatação espectral da fase dos pulsos ultracurtos. Para tal estudo, foi utilizado um oscilador laser de Ti:Safira (15 fs, ~ 800 nm e largura de banda de 60 nm). Através de dois distintos métodos de formatação, observa-se a influência destes no processo de fotodegradação do MEHPPV, inferido pela diminuição da intensidade do sinal de fluorescência. No primeiro método de formatação, é estudada a influência de diferentes chirps impostos aos pulsos no processo de fluorescência do MEH-PPV. Observa-se uma menor taxa de fotodegradação para pulsos com maiores chirps, independente do sinal, em comparação a pulsos no limite de transformada. Esse efeito foi relacionado ao acréscimo na duração temporal dos pulsos com chirp, com consequente diminuição da intensidade. Numa segunda etapa, através do uso de um espelho deformável, a fase espectral do pulso é formatada usando uma máscara de fase senoidal. Neste caso, a intensidade de fluorescência foi modulada em aproximadamente 25%, num claro processo de controle coerente, sem nenhuma diferença apreciável no processo de fotodegradação. Desta forma, técnicas de controle coerente com formatação espectral da fase poderiam ser utilizadas para modular a intensidade do sinal de fluorescência no MEH-PPV, sem detrimento ao processo fotodegradativo. / In this work we studied the control of two-photon excited fluorescence in the conjugated polymer MEH-PPV, using pulse-shaping techniques to manipulate the pulse spectral phase. The experiments were carried out with a Ti:sapphire laser oscillator (15 fs, ~ 800 nm and 60 nm of bandwidth). We investigated the influence of two distinct pulse-shaping methods in the MEH-PPV photodegradation, inferred by the decrease in the fluorescence intensity. In the first method, we studied the effect of different pulse chirps on the MEH-PPV fluorescence. A smaller photodegradation rate was observed for pulses with higher chirps, independently of its sing, in comparison with pulses close to the Fourier Transform limit. This effect was attributed to the increase in the pulse duration for chirped pulses, and consequent decrease in the pulse intensity. In a second stage, we modulate the pulse spectral phase by employing a senoidal phase mask though a deformable mirror. In this case, a 25% modulation in the fluorescence intensity was determined, whereas no considerable effect was observed in the photodegradation. In this way, coherent control techniques employing spectral phase pulse-shaping could be used to modulate MEH-PPV fluorescence, without any negative effect to its photodegradation.

Neste trabalho foi investigado o controle do processo de fluorescência excitada por absorção de dois fótons no polímero conjugado MEH-PPV, utilizando um sistema de formatação espectral da fase dos pulsos ultracurtos. Para tal estudo, foi utilizado um oscilador laser de Ti:Safira (15 fs, ~ 800 nm e largura de banda de 60 nm). Através de dois distintos métodos de formatação, observa-se a influência destes no processo de fotodegradação do MEHPPV, inferido pela diminuição da intensidade do sinal de fluorescência. No primeiro método de formatação, é estudada a influência de diferentes chirps impostos aos pulsos no processo de fluorescência do MEH-PPV. Observa-se uma menor taxa de fotodegradação para pulsos com maiores chirps, independente do sinal, em comparação a pulsos no limite de transformada. Esse efeito foi relacionado ao acréscimo na duração temporal dos pulsos com chirp, com consequente diminuição da intensidade. Numa segunda etapa, através do uso de um espelho deformável, a fase espectral do pulso é formatada usando uma máscara de fase senoidal. Neste caso, a intensidade de fluorescência foi modulada em aproximadamente 25%, num claro processo de controle coerente, sem nenhuma diferença apreciável no processo de fotodegradação. Desta forma, técnicas de controle coerente com formatação espectral da fase poderiam ser utilizadas para modular a intensidade do sinal de fluorescência no MEH-PPV, sem detrimento ao processo fotodegradativo. / In this work we studied the control of two-photon excited fluorescence in the conjugated polymer MEH-PPV, using pulse-shaping techniques to manipulate the pulse spectral phase. The experiments were carried out with a Ti:sapphire laser oscillator (15 fs, ~ 800 nm and 60 nm of bandwidth). We investigated the influence of two distinct pulse-shaping methods in the MEH-PPV photodegradation, inferred by the decrease in the fluorescence intensity. In the first method, we studied the effect of different pulse chirps on the MEH-PPV fluorescence. A smaller photodegradation rate was observed for pulses with higher chirps, independently of its sing, in comparison with pulses close to the Fourier Transform limit. This effect was attributed to the increase in the pulse duration for chirped pulses, and consequent decrease in the pulse intensity. In a second stage, we modulate the pulse spectral phase by employing a senoidal phase mask though a deformable mirror. In this case, a 25% modulation in the fluorescence intensity was determined, whereas no considerable effect was observed in the photodegradation. In this way, coherent control techniques employing spectral phase pulse-shaping could be used to modulate MEH-PPV fluorescence, without any negative effect to its photodegradation.

O desenvolvimento de sistemas laser com pulsos ultracurtos trouxe a possibilidade de usinagem de estruturas muito pequenas em praticamente qualquer tipo de material. Neste trabalho foi dada continuidade a estudos já iniciados no Centro de Lasers e Aplicações (CLA) com os materiais dielétricos, introduzindo a largura temporal dos pulsos laser como mais uma variável e utilizando os conhecimentos adquiridos para a determinação de limiares de ablação e parâmetros de incubação em alguns metais como: aço AISI 1045, aço inoxidável VI138, cobre eletrolítico e molibdênio. A ausência de calor no processo de ablação dos metais torna-se muito difícil, pois a criação de uma camada de íons é muito prejudicada pela mobilidade eletrônica ao seu redor. Assim a ablação de metais com pulsos ultracurtos, tem como principal mecanismo a explosão de fase associada a outros processos que também contribuem na ablação, porém em menor escala, como a explosão coulombiana e a fusão ultrarrápida. Além disso, propriedades como a constante de acoplamento elétron-fônon e a condutividade térmica assumem um papel importante e devem ser levadas em conta na investigação do processo de ablação dos metais. Este trabalho possibilitou a obtenção de parâmetros de operação nos quais o calor transferido para a rede é minimizado, possibilitando a microusinagem de precisão e alterações controladas na morfologia da superfície de diversos metais. Os resultados propiciaram assim condições para novos desenvolvimentos e aplicações práticas de usinagem com pulsos ultracurtos. / The development of laser systems with ultrashort pulses brought the possibility of machining very small structures in virtually any type of material. In this work was continued the studies already started in Lasers and Applications Center (CLA), with dielectric materials, introducing temporal width of the laser pulses as another variable, and using the knowledge acquired to determine ablation threshold and incubation parameters of some metals such as AISI 1045 steel, VI 138 stainless steel, electrolytic copper and molybdenum. The absence of heat in the ablation process of metals is much more difficult since the creation of a layer of ions is greatly impaired by electronic mobility in its vicinity. Hence, the ablation process for metals with ultrashort pulses, has, as main mechanism, the phase explosion associated with other processes that also contribute in the process, but on a smaller scale, such as Coulomb explosion and ultrafast fusion. Moreover, properties such as electron-phonon coupling constant and thermal conductivity play an important role and should be taken into account in investigating the process of ablation of metals. This study made it possible to obtain operation parameter where the heat transferred to the lattice is minimized, enabling precision micromachining and controlled changes in the morphology of the surface of metals. The results provided conditions for new developments and real machining applications with ultrashort pulses.

Revestimentos superficiais são aplicados à muitas ferramentas de usinagem na indústria metalúrgica com o intuito de melhorar a eficiência de corte e aumentar sua vida útil. Neste trabalho foram realizados testes para remoção do recobrimento de nitreto de titânio alumínio (TiAlN) em pastilhas de carboneto de tungstênio (WC-Co), utilizando um feixe laser de pulsos ultracurtos. Após a determinação dos limiares de dano do filme e do substrato foram ablacionados na superfície do recobrimento, traços utilizando duas condições de ablação. Inicialmente operou-se no regime de baixa fluência do filme, e posteriormente no regime de baixa fluência do substrato, muito abaixo do limiar do filme, aplicando-se alta sobreposição de pulsos. Um sistema de espectroscopia de emissão atômica induzida por laser (LIBS) foi montado para monitoramento dos materiais presentes no plasma gerado pelo laser, porém o sistema não apresentou sensibilidade suficiente para leitura da baixa intensidade do plasma proveniente do processo e não foi utilizado. Após a análise dos traços por microscopia eletrônica, perfilometria óptica e espectroscopia por fluorescência de Raios-X, não foi possível determinar um processo seguro para realizar a remoção seletiva do filme em questão, porém, devido aos dados obtidos e observações dos resultados em alguns traços, novas possibilidades foram levantadas, abrindo a discussão para a realização de trabalhos futuros. / Surface coatings are applied to many cutting tools in the metallurgical industry in order to improve cutting efficiency and extend its useful life. In this work, tests were performed to remove the coating of titanium aluminum nitride (TiAlN) on tungsten carbide (WC-Co) pellets, using an ultrashort laser pulses beam. After determination of the damage thresholds of the film and the substrate, were ablated on the surface of the coating lines using two ablation conditions, it was initially operated on the low fluence regime for the film, and later on the low fluence regime of the substrate, far below the threshold of the film, applying high overlapping pulses. A laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) system was set up to monitor the materials present in the plasma generated by the laser, but the system did not present sufficient sensitivity to read the low intensity of the plasma generated in the process and was not used. After the analysis of the traces by electron microscopy, optical profilometer and X-ray fluorescence spectroscopy, it was not possible to determine a safe process to carry out the selective removal of the film in question, however, due to the data obtained and observations of the results in some traces, new possibilities were raised, opening the discussion for future work.

O desenvolvimento de sistemas laser com pulsos ultracurtos trouxe a possibilidade de usinagem de estruturas muito pequenas em praticamente qualquer tipo de material. Neste trabalho foi dada continuidade a estudos já iniciados no Centro de Lasers e Aplicações (CLA) com os materiais dielétricos, introduzindo a largura temporal dos pulsos laser como mais uma variável e utilizando os conhecimentos adquiridos para a determinação de limiares de ablação e parâmetros de incubação em alguns metais como: aço AISI 1045, aço inoxidável VI138, cobre eletrolítico e molibdênio. A ausência de calor no processo de ablação dos metais torna-se muito difícil, pois a criação de uma camada de íons é muito prejudicada pela mobilidade eletrônica ao seu redor. Assim a ablação de metais com pulsos ultracurtos, tem como principal mecanismo a explosão de fase associada a outros processos que também contribuem na ablação, porém em menor escala, como a explosão coulombiana e a fusão ultrarrápida. Além disso, propriedades como a constante de acoplamento elétron-fônon e a condutividade térmica assumem um papel importante e devem ser levadas em conta na investigação do processo de ablação dos metais. Este trabalho possibilitou a obtenção de parâmetros de operação nos quais o calor transferido para a rede é minimizado, possibilitando a microusinagem de precisão e alterações controladas na morfologia da superfície de diversos metais. Os resultados propiciaram assim condições para novos desenvolvimentos e aplicações práticas de usinagem com pulsos ultracurtos. / The development of laser systems with ultrashort pulses brought the possibility of machining very small structures in virtually any type of material. In this work was continued the studies already started in Lasers and Applications Center (CLA), with dielectric materials, introducing temporal width of the laser pulses as another variable, and using the knowledge acquired to determine ablation threshold and incubation parameters of some metals such as AISI 1045 steel, VI 138 stainless steel, electrolytic copper and molybdenum. The absence of heat in the ablation process of metals is much more difficult since the creation of a layer of ions is greatly impaired by electronic mobility in its vicinity. Hence, the ablation process for metals with ultrashort pulses, has, as main mechanism, the phase explosion associated with other processes that also contribute in the process, but on a smaller scale, such as Coulomb explosion and ultrafast fusion. Moreover, properties such as electron-phonon coupling constant and thermal conductivity play an important role and should be taken into account in investigating the process of ablation of metals. This study made it possible to obtain operation parameter where the heat transferred to the lattice is minimized, enabling precision micromachining and controlled changes in the morphology of the surface of metals. The results provided conditions for new developments and real machining applications with ultrashort pulses.

A texturização por microusinagem a laser é uma importante alternativa para que se consiga melhorar a ligação de aderência entre materiais compósitos e o titânio, aplicados em componentes estruturais na indústria aeronáutica. A execução de texturização em chapas de titânio deve-se ao fato de que a técnica de junção preferida para muitos materiais compósitos é a ligação adesiva. Neste trabalho foram realizadas texturizações em chapas de titânio utilizando laser com pulsos ultracurtos de largura temporal da ordem de femtossegundos. Tal processo resultou em mínima transferência de calor para o material, evitando assim deformação superficial da chapa de titânio bem como a formação de material ressolidificado na região ablacionada. Estes inconvenientes ocorreram na utilização do laser chaveado com pulsos de nanossegundos. Foram executadas três tipos de texturizações utilizando laser com pulsos de femtossegundos, com variações nas distâncias entre as linhas usinadas. Pela análise das superfícies obtidas, detectou-se que a molhabilidade aumenta quando há o aumento da distância entre as linhas da texturização. Avançando nas análises, pela perfilometria óptica das superfícies texturizadas observou-se que há sensível aumento do volume disponível para penetração do adesivo estrutural quando são diminuídas as distâncias entre as linhas texturizadas. Nos ensaios de tração realizados observou-se que há o aumento da resistência ao cisalhamento da junta adesiva com a diminuição da distância entre as linhas texturizadas. / The texturing laser micromachining is an important alternative to improve the bonding adhesion between composites and titanium, which are applied to structural components in the aerospace industry. The texturing running on titanium plates is due to the fact that the preferred joining technique for many composite materials is the adhesive bonding. In this work, titanium plates were texturized using laser ultrashort pulses temporal widths of femtoseconds. This process resulted in minimal heat transfer to the material, avoiding deformation of the titanium plate surface as well as the formation of resolidified material in the ablated region. These drawbacks have occurred with the use of nanoseconds pulses. Were performed three types of texturing using laser with femtosecond pulses, with variations in the distances between the machined lines. The analysis of the obtained surfaces found that the wettability increases when there is the increased distance between the texturing lines. Advancing in the analysis by optical profilometry of textured surfaces was observed that there is substantial increase in the volume available for penetration of structural adhesive when the distances between the textured lines are diminished. In tensile tests conducted it was observed that there is an increase in shear strength of the adhesive joint by reducing the distance between the textured lines.

Foi desenvolvida e construída uma cavidade bombeadora para um meio de ganho de Cr:LiSAF na forma de bastão, bombeado por duas lâmpadas, visando sua operação como amplificador de pulsos ultracurtos a taxas de repetição elevadas, e com redução da carga térmica sobre o meio de ganho. A cavidade e o meio de ganho foram caracterizados sob operação como laser e como amplificador de pulsos ultracurtos. Atuando como laser, obtivemos 30 Hz de taxa de repetição e 20 W de potência média, resultado inédito, e ganho máximo de 1,5 por passagem. Alterando as características do bombeamento, foi possível operar o laser a 8 Hz e 16 W de potência média, com ganho máximo de 3,6 por passagem. A cavidade bombeadora, na configuração de maior ganho, foi integrada e sincronizada a um sistema Chirped Pulse Amplification baseado em cristais de Ti:Safira, concebido e construído visando a sua conjugação com o amplificador de Cr:LiSAF. O amplficiador introduziu um fator de amplificação de 150 em pulsos de 20 ps, produzindo pulsos com potência de pico de 0,5 TW. Também foi apresentada uma nova técnica para medida do limiar de ablação por pulsos ultracurtos, e sua teoria analítica foi desenvolvida. Esta técnica foi utilizada na determinação do limiar de ablação de cristais de Cr:LiSAF no regime de 20 ps. / We have developed and built a pumping cavity for a Cr:LiSAF rod, pumped by two flashlamps, in order to operate it as an ultrashort laser pulse amplifier at the highest possible repetition rate, under reduced thermal load. The pumping cavity and the gain medium were characterized under laser and ultrashort pulse amplifier operation. Operating as a laser, 30 Hz repetition rate and 20 W average power were obtained for the first time at a maximum gain per pass of 1.5. Changing the pumping characteristics, the laser provided 16 W at 8 Hz repetition rate, at a maximum gain of 3.6. The cavity, in the highest gain configuration, was integrated and synchronized to a Ti:Sapphire Chirped Pulse Amplification system, conceived and built to comprise the Cr:LiSAF amplifier. The amplifier provided amplification by a factor 150 to the 20 ps stretched pulses, resulting in pulses with 0.5 TW of peak power. Also, a new technique to measure ultrashort pulses ablation threshold was presented, and its analytical theory was developed. This technique was used to determine the ablation threshold for Cr:LiSAF crystals in the 20 ps regime.

A texturização por microusinagem a laser é uma importante alternativa para que se consiga melhorar a ligação de aderência entre materiais compósitos e o titânio, aplicados em componentes estruturais na indústria aeronáutica. A execução de texturização em chapas de titânio deve-se ao fato de que a técnica de junção preferida para muitos materiais compósitos é a ligação adesiva. Neste trabalho foram realizadas texturizações em chapas de titânio utilizando laser com pulsos ultracurtos de largura temporal da ordem de femtossegundos. Tal processo resultou em mínima transferência de calor para o material, evitando assim deformação superficial da chapa de titânio bem como a formação de material ressolidificado na região ablacionada. Estes inconvenientes ocorreram na utilização do laser chaveado com pulsos de nanossegundos. Foram executadas três tipos de texturizações utilizando laser com pulsos de femtossegundos, com variações nas distâncias entre as linhas usinadas. Pela análise das superfícies obtidas, detectou-se que a molhabilidade aumenta quando há o aumento da distância entre as linhas da texturização. Avançando nas análises, pela perfilometria óptica das superfícies texturizadas observou-se que há sensível aumento do volume disponível para penetração do adesivo estrutural quando são diminuídas as distâncias entre as linhas texturizadas. Nos ensaios de tração realizados observou-se que há o aumento da resistência ao cisalhamento da junta adesiva com a diminuição da distância entre as linhas texturizadas. / The texturing laser micromachining is an important alternative to improve the bonding adhesion between composites and titanium, which are applied to structural components in the aerospace industry. The texturing running on titanium plates is due to the fact that the preferred joining technique for many composite materials is the adhesive bonding. In this work, titanium plates were texturized using laser ultrashort pulses temporal widths of femtoseconds. This process resulted in minimal heat transfer to the material, avoiding deformation of the titanium plate surface as well as the formation of resolidified material in the ablated region. These drawbacks have occurred with the use of nanoseconds pulses. Were performed three types of texturing using laser with femtosecond pulses, with variations in the distances between the machined lines. The analysis of the obtained surfaces found that the wettability increases when there is the increased distance between the texturing lines. Advancing in the analysis by optical profilometry of textured surfaces was observed that there is substantial increase in the volume available for penetration of structural adhesive when the distances between the textured lines are diminished. In tensile tests conducted it was observed that there is an increase in shear strength of the adhesive joint by reducing the distance between the textured lines.

Neste trabalho é feito um estudo da formatação de pulsos ultracurtos de laser de Ti:Safira para a geração de segundo harmônico em cristal de KDP. Para a formatação dos pulsos, é utilizado um aparato que inclui um modulador espacial de luz de cristal líquido (LC SLM), que altera unicamente a fase espectral dos pulsos. Este aparelho tem a vantagem de não introduzir perdas durante a propagação da luz, além de sua ação ser controlada via computador, através de um software em LabVIEW. Utilizando uma função senoidal, é feito um estudo das limitações do controle da geração do segundo harmônico provindas da pixelação do LC SLM, isto é, do fato de que os elementos moduladores possuem tamanhos finitos e produzem uma modulação discreta ao longo das componentes espectrais do pulso. É apresentada a geração de luz sintonizável em torno de 400 nm por duplicação de frequências de pulsos cuja fase espectral é modulada por uma soma de funções senoidais de frequências diferentes. A largura de banda do ultravioleta produzido é da ordem de 1 nm, em contraste com a largura de linha de cerca de 12 nm do segundo harmônico gerado na ausência de modulação do pulso fundamental. A sintonização é feita basicamente através de uma varredura na fase das funções moduladoras do pulso fundamental. Esse tipo de sintonização nessa região do espectro possui algumas aplicações, tais como a microscopia seletiva por dois fótons ou mesmo a espectroscopia de um fóton. Para comprovar a utilidade da geração de segundo harmônico sintonizável, é apresentada uma medida espectroscópica da transmissão em uma amostra de cloreto de európio, sendo que os resultados obtidos concordaram com as medidas da mesma amostra realizadas em um espectrofotômetro, com o mínimo de transmissão em cerca de 394 nm. / This work presents a study on the shaping of ultrashort pulses of a Ti:Sapphire laser for second harmonic generation in KDP crystals. To achieve the pulse shaping, a setup based on a phase-only crystal-based spatial light modulator (LC SLM) is used. This device has the advantage of low loss, and can be computer controlled, by means of a LabVIEW software. The use of a sinusoidal function, allows to study the limitations of the second harmonic generation due to the pixelation of the LC SLM, i. e., due to the fact that the modulating elements have finite sizes and produce a stepwise modulation along the spectral components of the pulse. The generation of tunable light around 400 nm by frequency doubling of laser pulses is presented for the case where the spectral phase is modulated by a sum of sinusoidal functions with different frequencies. The linewidth of the ultraviolet band produced is narrower than 1 nm, in contrast to the 12 nm linewidth of the non-modulated incident spectrum. The tuning is done primarily through a sweep in the phase of the modulating functions of the fundamental pulse. The possibility of tuning in this region of the spectrum has a few applications, such as in selective two-photon microscopy or even in one photon spectroscopy. To demonstrate the usefulness of tunable second harmonic generation, a spectroscopic measurement of the transmission in a sample of europium chloride is presented, and the results agreed with the measures of those performed in a spectrophotometer, with the minimal transmission occurring around 394 nm.