No presente estudo investigou-se amostras de plasma com DNA livre circulante (DNA LC) por meio da técnica Varredura Z. Esta é uma técnica eficiente na determinação de parâmetros de diferentes materiais, tais como cristais líquidos, ferrofluidos e compostos biológicos. Esta experiência é realizada através da focalização de um feixe laser de perfil gaussiano numa amostra. Na medida em que a amostra se aproxima do foco da lente, a intensidade do feixe aumenta e alcança seu valor máximo no ponto focal, então diminui para pontos distantes do foco. Na região próxima ao ponto focal se amplificam os fenômenos não-lineares. Recentemente foi demonstrado que níveis elevados de DNA LC no plasma ocorrem com frequência em pacientes com vários tipos de câncer, podendo ser utilizados para discriminar pacientes com malignidade de pessoas saudáveis. As amostras de DNA LC, submetidas ao experimento Varredura Z, forneceram respostas ópticas devido ao fenômeno de lente térmica. Os resultados revelaram que a amplitude de lente térmica das amostras extraídas do plasma de pacientes com malignidade difere daquela de doadores sãos. A técnica Varredura Z se mostrou mais vantajosa em relação a outras biológicas porque revelou uma maior diferença entre os grupos estudados e tem o caráter de detectar mudanças estruturais no DNA LC. / In the present study plasma samples with cell-free DNA were investigated by means of the Z-Scan technique. This is a powerfull technique in determining parameters of different materials, such as liquid crystals, ferrofluids and biological compounds. This experiment is performed by focusing a Gaussian profile laser beam on a sample. As the sample approaches the focus of the lens, the intensity of the beam increases and reaches its maximum value at the focal point, then decreases to points distant from the focus. In the region near the focal point non-linear phenomena are amplified. It has recently been demonstrated that high levels of plasma cell-free DNA occur frequently in patients with various cancers and can be used to discriminate patients with malignancy from healthy donors. The cell-free DNA samples, submitted to the Z-Scan experiment, provided optical responses due to the thermal lens phenomenon. The results revealed that the thermal lens amplitude of samples extracted from the plasma of patients with malignancy differs from that of healthy donors. The Z-Scan technique was more advantageous than other biological ones because it revealed a greater difference between the studied groups and has the character of detecting structural changes in cell-free DNA.

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

Nesta tese estudamos a dinâmica das não linearidades ópticas em compostos orgânicos, mais especificamente em amostras de bis-ftalocianina de itérbio, derivados do álcool furfurílico e compostos azo-aromáticos. Para que a dinâmica dos processos ópticos não lineares pudesse ser investigada nesses materiais, desenvolvemos uma extensão experimental à técnica de varredura-Z convencional, denominada de varredura-Z com trem de pulsos. Nesta técnica, o trem de pulsos de um laser Q-switched/mode-locked é convenientemente empregado para o estudo da dinâmica de processos não lineares no intervalo de 10 a 1000 ns, permitindo a discriminação entre não linearidades rápidas e processos lentos ou acumulativos. Os resultados obtidos através desta técnica nos diversos materiais estudados, complementados com medidas ópticas lineares, tornaram possível a determinação da origem dos processos não lineares refrativos e absorcivos, permitindo também a determinação dos parâmetros espectroscópicos do estado excitado. / This work reports the dynamic nonlinear optical properties of organic compounds, namely, ytterbium bis-phthalocyanine, furfuryl alcohol derivatives and azo-aromatic compounds. In order to carry out this investigation we developed an experimental extension to the standard Z-scan technique, named Z-scan with pulse trains. In this method, pulse trains contained in Q-switched/mode-locked lasers can be advantageously used to study dynamic optical nonlinearities in the 10-1000 ns time interval, allowing the discrimination between fast and slow (cumulative) nonlinear effects. The results obtained in the compounds studied with this technique, complemented with linear optical measurements, permitted the nonlinear refraction and absorption origin to be determined, allowing the characterization of excited state spectroscopic parameters.

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

Compostos orgânicos constituem uma classe interessante de materiais para aplicações em óptica por apresentarem boa processabilidade, relativa facilidade para integração em dispositivos e, principalmente, pela possibilidade de otimização de suas propriedades ópticas através da engenharia molecular. Várias estratégias têm sido empregadas para sintetizar moléculas orgânicas, que exibam singificativos efeitos ópticos não lineares. Nesta direção, nos últimos anos moléculas multi-ramificadas vêm sendo produzidas com o objetivo de intensificar efeitos não lineares, já que estas podem exibir um forte efeito cooperativo entre seus ramos. Nesta tese estudamos a relação da absorção de dois fótons (A2F) e da primeira hiperpolarizabilidade com a estrutura molecular, para um conjunto de nove derivados de trifenilamina com diferentes grupos aceitadores de elétrons arranjadas em geometrias dipolar, quadrupolar e octopolar. O processo A2F foi estudados através da técnica de Varredura-Z, enquanto que a primeira hiperpolarizabilidade foi caracterizada pela técnica de espelhamento hiper Rayleigh. Os dados experimentais para a absorção de dois fótons revelaram espectros bem definidos, com valores razoáveis de seção de choque na região do visível e infravermelho próximo. Observamos ainda um engrandecimento para a seção de choque de A2F para as moléculas quadrupolares. Os resultados obtidos para a primeira hiperpolarizabilidade (β) mostraram que moléculas quadrupolares apresentam maior β do que as dipolares e octopolares, portanto, nossos resultados permitem concluir que o acoplamento eletrônico entre os ramos contribuem fortemente para a seção de choque por A2F e β nas moléculas quadrupolares, não sendo este processo relevante nas moléculas octopolares. Todos os resultados foram interpretados por meio de estudos teóricos empregando a teoria do funcional da densidade (DFT). / Organic compounds constitute an interesting class of materials for optical applications due to their excellent processability, easy integration into devices and, mainly, the possibility of optimizing its optical properties through molecular engineering. Several strategies have been employed to synthesize organic molecules, which exhibit significant nonlinear optical effects. In this direction, in the last few years multi-branched molecules have been obtained aiming at intensifying nonlinear optical effects, since they may exhibit a strong cooperative effect among their branches. On this thesis we have studied the relationship of two-photon absorption (2PA) and first hyperpolarizability with the molecular structure of a group of nine triphenylamine derivatives attached to distinct electron acceptor groups arranged in dipole, quadrupole and octopolar geometries. The 2PA process was studied by Z-scan technique, while the first hyperpolarizability was characterized by the hyper-Rayleigh scattering technique. The experimental data for two-photon absorption revealed well-defined spectra with reasonable cross section magnitude in the visible and near infrared range. We also observed an enhancement of the 2PA cross-section for the quadrupolar molecules in comparison to the dipolar and octopolar ones. The results obtained for the first hyperpolarizability (β) shown that the quadrupolar molecules present higher β than the dipolar and octopolar, suggesting that the electronic coupling between the branches strongly contribute to the 2PA cross-section and β in quadrupolar molecules, being not relevant in the octopolar molecules. All results were interpreted through theoretical studies based on the density functional theory (DFT).

Apresentamos os resultados do estudo das não-linearidades ópticas de origem eletrônica de duas moléculas da classe dos oligômeros de anilina: o dímero e o tetrâmero. Foram medidas quatro concentrações de tetrâmero, puras e também dopadas em 33 e 100%; uma de dímero pura e outra dopada em 100%. As soluções foram preparadas usando dimetil-sulfóxido (DMSO) como solvente e a dopagem foi realizada com ácido clorídrico. As amostras foram caracterizadas por medidas de absorção linear e fluorescência antes das medidas não-lineares. Obtivemos os valores da primeira hiperpolarizabilidade (?) para todas as amostras, o índice de refração não-linear (n2) do tetrâmero dopado e não dopado, e a absorção não-linear em função da intensidade e da concentração do tetrâmero. As medidas foram realizadas através das técnicas de Varredura-Z, absorção não-linear e espalhamento Hiper-Rayleigh. Os resultados foram interpretados em termos da comparação entre diferentes estados de dopagem e da variação da seção de choque do estado fundamental para o primeiro excitado. / We report on the study of electronic optical non linearities in two aniline oligomers: dimer and the tetramer. Four tetramer concentrations were measured, pure and also 33 and 100% doped; one of dimer non doped another 100% doped. The solutions were prepared using dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent and the doping was performed with hydrochloric acid. The samples were characterized by measurements of linear absorption and fluorescence. We obtained the values of the first hyperpolarizability (?) for all samples, the non linear index of refraction (n2) for non doped and doped tetramer, and the non linear absorption in function of intensity and concentration of the tetramer. The measurements were accomplished through the techniques of Z-Scan, non linear absorption and Hyper-Rayleigh Scattering. The results were interpreted in terms of the comparison among different doping states and of the variation of cross-section for the transition from ground to the first excited states.

Nesta tese, estudamos o processo de absorção multifotônica em polímeros e resinas poliméricas, abordando tanto aspectos fundamentais quanto aplicados. Com relação aos aspectos fundamentais, estudamos processos de absorção multifotônica (absorção de dois, três e quatro fótons) no polímero conjugado MEH-PPV (poly(2-methoxy-5-(2´-ethylhexyloxy)-1,4- phenylenevinylene)), utilizando a técnica de Varredura-Z com pulsos ultracurtos. Através desta técnica, determinamos o espectro da absorção de dois, três e quatro fótons do MEHPPV. As seções de choque de absorção de multi-fótons correspondentes a cada processo foram determinadas através do ajuste das curvas experimentais com um conjunto de equações desenvolvidas neste trabalho. Os resultados obtidos permitiram traçar relações entre os espectros não lineares e os níveis de energia do polímero. Na vertente mais aplicada do projeto, estudamos a fotopolimerização de resinas acrílicas através do processo de absorção de dois fótons. Devido ao confinamento espacial da polimerização, graças à absorção de dois fótons, este método permite a confecção de micro-estruturas complexas para diversas aplicações tecnológicas. Além da fabricação de microestruturas convencionais não dopadas, neste trabalho desenvolvemos uma metodologia que possibilita a fabricação de microestruturas dopadas com MEH-PPV, visando a produção de micro-elementos fluorescentes para dispositivos fotônicos, e microestruturas dopadas com quitosana, um polímero biocompatível que pode ser utilizado em aplicações médicas e biológicas. / In this thesis we have studied the multi-photon absorption process in polymers and polymeric resins, exploiting its fundamental as well as technological aspects. Regarding the fundamental aspects, we have studied the multi-photon absorption (two-, three- and four-photon absorption) in the conjugated polymer MEH-PPV (poly(2-methoxy-5-(2´-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene)), by using the Z-scan technique with ultrashort laser pulses. Through this technique, we determined the two-, three- and four-photon absorption spectra of MEH-PPV. The multi-photon absorption cross-sections, corresponding to each specific process, have been determined by fitting the experimental data with a set of equations developed in this work. The results allowed us to correlate the nonlinear absorption spectra to the energy level of the polymer. On the technological side of this thesis, we have investigated the photopolymerization of acrylic resins by two-photon absorption. Because of the spatial confinement of the polymerization, resulting from the two-photon excitation, this method allows the fabrication of complex microstructures which can be used for several technological applications. In addition to the fabrication of undoped microstructures, in this work we have developed a methodology that allows the fabrication of microstructures doped with MEHPPV, aiming the production of fluorescent micro-elements for photonics applications, and microstructures doped with chitosan, a biocompatible polymer, that can be used for medical and biological applications.

Two-photon absorption and two-photon excitation fluorescence of salicylaldehyde azine crystals were investigated. It was observed an intense visible fiuorescence when this material was excited with a laser tuned at the near infrared region. Varying the laser intensity we identified this phenomenon as a simultaneous two-photon laser absorption process. Using open aperture Z-scan measurements we characterized this two-photon absorption phenomenon and measured the value of the two-photon absorption crosssection of this molecule to be equal to 87 GM. Our results indicate that this is a promising organic material aiming nonlinear photonics applications. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Neste trabalho foram investigados os efeitos físicos de Absorção não linear de dois fótons e fluorescência assistida por absoção de dois fótons em cristais orgânicos de salicilaldeído azina. Observou-se uma intensa fluorescência na região visível do espectro, quando este material foi excitado com um laser sintonizado na região do infravermelho próximo. Variando a intensidade do laser, esse fenômeno foi identificado como um processo de absorção simultânea de dois fótons do laser. Usando a técnica de varredura Z fenda aberta, esse efeito de absorção de dois fótons foi caracterizado e a seção de choque de absorção de dois fótons medida para esta molécula foi igual a 87 GM. Esses resultados indicam que essa molécula é um material orgânico promissor para o desenvolvimento de aplicações fotônicas.

Apresentamos os resultados do estudo das não-linearidades ópticas de origem eletrônica de duas moléculas da classe dos oligômeros de anilina: o dímero e o tetrâmero. Foram medidas quatro concentrações de tetrâmero, puras e também dopadas em 33 e 100%; uma de dímero pura e outra dopada em 100%. As soluções foram preparadas usando dimetil-sulfóxido (DMSO) como solvente e a dopagem foi realizada com ácido clorídrico. As amostras foram caracterizadas por medidas de absorção linear e fluorescência antes das medidas não-lineares. Obtivemos os valores da primeira hiperpolarizabilidade (?) para todas as amostras, o índice de refração não-linear (n2) do tetrâmero dopado e não dopado, e a absorção não-linear em função da intensidade e da concentração do tetrâmero. As medidas foram realizadas através das técnicas de Varredura-Z, absorção não-linear e espalhamento Hiper-Rayleigh. Os resultados foram interpretados em termos da comparação entre diferentes estados de dopagem e da variação da seção de choque do estado fundamental para o primeiro excitado. / We report on the study of electronic optical non linearities in two aniline oligomers: dimer and the tetramer. Four tetramer concentrations were measured, pure and also 33 and 100% doped; one of dimer non doped another 100% doped. The solutions were prepared using dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent and the doping was performed with hydrochloric acid. The samples were characterized by measurements of linear absorption and fluorescence. We obtained the values of the first hyperpolarizability (?) for all samples, the non linear index of refraction (n2) for non doped and doped tetramer, and the non linear absorption in function of intensity and concentration of the tetramer. The measurements were accomplished through the techniques of Z-Scan, non linear absorption and Hyper-Rayleigh Scattering. The results were interpreted in terms of the comparison among different doping states and of the variation of cross-section for the transition from ground to the first excited states.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work reports on the optical properties of chalcones molecules in solution, using methanol as solvent. For the characterization of the linear optical properties, were obtained absorbance spectra. While for the characterization of the nonlinear optical properties, it has been used techniques hyper-Rayleigh scattering and Z-scan. Using hyper-Rayleigh scattering technique, were determined the first hyperpolarizabilities of the molecules studied. With the Z-scan technique, we could obtain the two-photon absorption spectra at several wavelengths in the range of 480 to 790 nm. From the two-photon absorption spectra were possible to determine the coefficients of two-photon absorption and their respective cross section. The results help to understand the effects of substituents added to the basic structure of chalcones in both linear optical properties as nonlinear. / Neste trabalho, estudamos as propriedades ópticas de moléculas de chalconas em solução, usando o metanol como solvente. Para a caracterização das propriedades ópticas lineares foram determinados os espectros de absorção. Na caracterização das propriedades ópticas não lineares foram utilizadas as técnicas de espalhamento hiper-Rayleigh e de varredura-Z. Utilizando a técnica de espalhamento hiper-Rayleigh foram determinadas as primeiras hiperpolarizabilidades das moléculas estudadas. Com a técnica de varredura-Z conseguimos obter os espectros de absorção de dois fótons em vários comprimentos de onda no intervalo dos 480 aos 790 nm. A partir dos espectros de absorção de dois fótons foi possível determinar o coeficiente da absorção de dois fótons e sua respectiva seção de choque. Os resultados ajudam a compreender os efeitos de substituintes, adicionados à estrutura básica das chalconas, tanto nas propriedades ópticas lineares quanto não lineares.