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CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Segundo dados do Instituto Nacional do Câncer (INCA) o câncer de mama é um tipo de câncer muito comum entre as mulheres, sendo responsável por cerca de 29% dos casos a cada ano. A forma padrão do diagnóstico é feita por meio da análise visual do tecido coletado, que passa por processos de corte e coloração que podem danificar a amostra, tornando-o muitas vezes demorado e dependente da experiência do patologista. Assim, o desenvolvimento de técnicas que possibilitem uma análise quantitativa dos tecidos de forma a obter novas ferramentas de diagnóstico com uma maior agilidade na análise dos dados seria de grande ajuda aos patologistas e benéfico para os pacientes. Neste trabalho, utilizamos as técnicas de microscopia óptica não linear de Geração de Segundo Harmônico (SHG) e de Fluorescência por Excitação de Dois Fótons (TPEF) com laser pulsado para obter imagens em biópsias de neoplasias mamárias em cadela. As imagens de SHG permitem informações da estrutura do colágeno na matriz extracelular que, juntamente com a as imagens de TPEF das regiões celulares das biópsias, formam uma base para uma análise de imagem abrangente. Para as análises dessas imagens, um software, que utiliza ferramentas já conhecidas em análises desse tipo de imagem, como o tensor estrutural e a extração de redes de fibras (FIRE), foi desenvolvido a fim de automatizar o processo de análise. O software permitiu obter a separação de regiões fibrosas e celulares das imagens SHG e TPEF. Com essa segmentação foi possível a extração de redes de fibras de colágeno e vários parâmetros específicos para cada região (fibras ou células) formando um conjunto de 29 métricas. Com esse conjunto de métricas conseguimos estudar as alterações causadas nos tecidos devido aos diferentes tipos de neoplasias mamárias, como os tumores mistos benignos, carcinoma em tumor misto, carcinoma ductal In Situ, carcinossarcoma, carcinoma micropapilar e carcinoma sólido em comparação com a mama normal, além da análise das alterações sofridas durante a progressão tumoral. Essas alterações foram analisadas por meio de métodos estatísticos análise de variância (MANOVA e ANOVA), para discriminar quais foram as significâncias estatísticas. Além disso, uma análise por discriminante linear (LDA) incluindo todas as métricas extraídas permitiu separar e classificar todos os tipos histológicos estudados. Obtivemos uma sensibilidade de cerca de 90% na classificação entre tecido saudável e canceroso e uma sensibilidade de cerca de 40-60% para comparação entre a mama normal e os subtipos histológicos estudados. According to data from the Institute of Cancer (INCA), breast cancer is a very common type of cancer among women, accounting for about 29% of cases each year. The standard diagnosis is given by visual analysis of the collected tissue, which undergoes cutting and coloring processes that can damage the sample, often making it slowly and dependent on the pathologist's experience. Thus, the development of techniques that enable a quantitative tissue analysis in order to obtain new diagnostic tools with greater agility in data analysis would be of great help to pathologists and beneficial to patients. In this work, we used the non-linear optical microscopy techniques of Second Harmonic Generation (SHG) and Two-Photon Excitation Fluorescence (TPEF) with pulsed laser to obtain images in biopsies of mammary neoplasms in female dogs. SHG images provide information of the collagen structure in the extracellular matrix which, that together with TPEF images of cell regions in the biopsies form a basis for comprehensive imaging analysis. For the image analysis, we developed a software, which uses tools already known for this type of image analysis, such as the structural tensor and the extraction of fiber networks (FIRE). The software was developed in order to automate the image analysis process. It allowed to obtain the separation of the fibrous and cellular regions in the SHG and TPEF images. With this segmentation it was possible to extract the collagen fiber networks and several specific parameters for each region (fibers or cells) forming a set of 29 metrics. With this set of metrics we were able to study the changes in the tissues caused by different types of breast cancer, such as benign mixed tumors, carcinoma in mixed tumor, ductal carcinoma In Situ, carcinosarcoma, micropapillar carcinoma and solid carcinoma in comparison to normal breast. The changes due to the tumor progression were analyzed using the statistical methods of variance (MANOVA and ANOVA). In addition, a linear discriminant analysis (LDA) including all extracted metrics allowed separating and classifying all histological types studied. We obtained a sensitivity of about 90% in the classification between healthy and cancerous tissue and a sensitivity of about 40-60% for comparison between normal breast and all the studied histological subtypes.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Fundo Mackenzie de Pesquisa Materiais bidimensionais (2D) têm sido tema de intensa pesquisa devido às suas propriedades e aplicações. Heteroestruturas de van der Waals são estruturas produzidas pelo empilhamento das camadas de diferentes tipos desses materiais 2D. Este empilhamento permite combinar as propriedades de cada material em uma nova estrutura customizada, possibilitando a fabricação de novos dispositivos em escala atômica, como sensores, transistores e LEDs. As propriedades das heteroestruturas apresentam forte dependência com parâmetros como a sua orientação e simetria. Deste forma, é necessário primeiramente caracterizá-los para que seja possível empregar as estruturas produzidas em novos dispositivos. Para a caracterização destas, é desejado extrair o máximo de informação possível. Técnicas como geração de segundo (SHG) e terceiro (THG) harmônicos, permitem obter informações a respeito de parâmetros como a simetria e até mesmo a orientação cristalina de forma rápida e relativamente simples. Além disso, a geração não linear de novas frequências (como ocorre nos processos de SHG e THG) pode ser aplicada a dispositivos fotônicos, para, por exemplo, o desenvolvimento de conversores totalmente ópticos de frequência, ou para processamento de sinais, tornando ainda mais atrativa a aplicação destas técnicas a materiais e estruturas 2D. Dentre as heteroestruturas, as construídas a partir de dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) vêm atraindo a atenção devido às suas propriedades semicondutoras e sua gama de aplicações. Outro exemplo de heteroestrutura são as observadas na natureza, como a franckeíta. Estas, por sua vez, ainda são pouco investigadas necessitando, assim, de maiores estudos. Desta forma, o objetivo deste trabalho é a caracterização de heteroestruturas de van de Waals através das técnicas não lineares de SHG e THG. As amostras aqui investigadas foram as baseadas em TMDs, crescidas pelo método de CVD (do inglês chemical vapor deposition); e as naturais, isoladas por esfoliação mecânica. As amostras crescidas por CVD estudadas neste trabalho são heteroestruturas de MoS2/WS2 crescidas com ângulos de empilhamentos de 0o e 60o e bi e tricamadas de MoS2 e de WS2. A heteroestrutura natural aqui analisada foi a franckeíta, com amostras variando com relação ao número de camadas. A partir dos resultados nas amostras crescidas por CVD é possível notar o aumento na intensidade do sinal de SHG com relação à sua monocamada quando o ângulo de empilhamento é de 0o. Já para o ângulo de empilhamento de 60o a intensidade do sinal de SHG é reduzido com relação à monocamada ou até eliminado, dependendo da amostra. Para as medidas de THG, a intensidade aumentou em todas as estruturas conforme o aumento do número de camadas, independente do ângulo de empilhamento. No caso da SHG, a taxa de aumento do sinal com o número de camadas foi superior ao esperado assumindo-se a soma coerente do sinal gerado individualmente por cada camada, indicando interação entre as camadas empilhadas produzidas por CVD. Para as amostras de franckeíta seu sinal de THG foi comparado com o de uma amostra de grafeno, onde foi visto que o sinal gerado é cerca de 3 ordens de grandeza maior que o medido no grafeno sob mesmas condições. Em paralelo a caracterização por THG contribuiu para a obtenção de informações a respeito da anisotropia do material. Materiais bidimensionais (2D) têm sido tema de intensa pesquisa devido às suas propriedades e aplicações. Heteroestruturas de van der Waals são estruturas produzidas pelo empilhamento das camadas de diferentes tipos desses materiais 2D. Este empilhamento permite combinar as propriedades de cada material em uma nova estrutura customizada, possibilitando a fabricação de novos dispositivos em escala atômica, como sensores, transistores e LEDs. As propriedades das heteroestruturas apresentam forte dependência com parâmetros como a sua orientação e simetria. Deste forma, é necessário primeiramente caracterizá-los para que seja possível empregar as estruturas produzidas em novos dispositivos. Para a caracterização destas, é desejado extrair o máximo de informação possível. Técnicas como geração de segundo (SHG) e terceiro (THG) harmônicos, permitem obter informações a respeito de parâmetros como a simetria e até mesmo a orientação cristalina de forma rápida e relativamente simples. Além disso, a geração não linear de novas frequências (como ocorre nos processos de SHG e THG) pode ser aplicada a dispositivos fotônicos, para, por exemplo, o desenvolvimento de conversores totalmente ópticos de frequência, ou para processamento de sinais, tornando ainda mais atrativa a aplicação destas técnicas a materiais e estruturas 2D. Dentre as heteroestruturas, as construídas a partir de dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) vêm atraindo a atenção devido às suas propriedades semicondutoras e sua gama de aplicações. Outro exemplo de heteroestrutura são as observadas na natureza, como a franckeíta. Estas, por sua vez, ainda são pouco investigadas necessitando, assim, de maiores estudos. Desta forma, o objetivo deste trabalho é a caracterização de heteroestruturas de van de Waals através das técnicas não lineares de SHG e THG. As amostras aqui investigadas foram as baseadas em TMDs, crescidas pelo método de CVD (do inglês chemical vapor deposition); e as naturais, isoladas por esfoliação mecânica. As amostras crescidas por CVD estudadas neste trabalho são heteroestruturas de MoS2/WS2 crescidas com ângulos de empilhamentos de 0o e 60o e bi e tricamadas de MoS2 e de WS2. A heteroestrutura natural aqui analisada foi a franckeíta, com amostras variando com relação ao número de camadas. A partir dos resultados nas amostras crescidas por CVD ´e possível notar o aumento na intensidade do sinal de SHG com relação à sua monocamada quando o ângulo de empilhamento é de 0o. Já para o ângulo de empilhamento de 60o a intensidade do sinal de SHG é reduzido com relação à monocamada ou até eliminado, dependendo da amostra. Para as medidas de THG, a intensidade aumentou em todas as estruturas conforme o aumento do número de camadas, independente do ângulo de empilhamento. No caso da SHG, a taxa de aumento do sinal com o número de camadas foi superior ao esperado assumindo-se a soma coerente do sinal gerado individualmente por cada camada, indicando interação entre as camadas empilhadas produzidas por CVD. Para as amostras de franckeíta seu sinal de THG foi comparado com o de uma amostra de grafeno, onde foi visto que o sinal gerado é cerca de 3 ordens de grandeza maior que o medido no grafeno sob mesmas condições. Em paralelo a caracterização por THG contribuiu para a obtenção de informações a respeito da anisotropia do material.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Studies on nanocomposite dicalcogenated transition metals (TMDs) with cellulose nanofibrils (CNFs), called TMD-CNFs, are still scarce in the literature. Among the TMDs, molybdenum disulphide (MoS2) has great application versatility. MoS2 nanocomposite was obtained with CNFs (MoS2-CNFs) and their optical properties were studied by spectral and microscopic techniques. MoS2 monolayers were obtained with CNFs by sonication in aqueous medium and centrifugation. It was demonstrated by the Dynamic Light Scattering (DLS) and Zeta Potential (ZP) analyzes that the sonication process is efficient to obtain a MoS2 monolayer (m-MoS2) and cellulose can be used as a stabilizer of the monolayers, reaching average size of 270 nm for MoS2 and 700 nm for MoS2-CNFs in colloidal suspension, with -37.92 mV of ZP in 20% v/v of added CNFs. It has been found that the CNFs agglutinate on the surface of the MoS2 flakes by Van der Waals forces. Through AFM analysis, the average thickness of 5 nm for the MoS2 flakes was found. It has been shown that the MoS2 presents 2H geometry because it presents a second harmonic emission (SH) null in paired monolayers. UV/VIS spectroscopy analyzes shows that the addition of cellulose caused significant improvements in the absorption bands of the MoS2 monolayers (m-MoS2), similar as a single MoS2 monolayer. Morphological analyzes of the MoS2-CNFs composite indicate that this occurs because the addition of the CNFs reduces the disorientation of the MoS2 flakes. Strong fluorescence (FL) and second harmonic generation (SHG) were found in m-MoS2 through Confocal Microscopy (CM) analyzes. The presence of few m-MoS2 on the surface of the MoS2 flakes justifies the high fluorescence emission of the nanocomposite. Results indicate that addition of CNFs results in loss of fluorescence. However, the amount of SH regions increases as a function of fluorescence. Estudos sobre nanocompósito de metais de transição dicalcogenados (TMDs) com nanofibrilas de celulose (CNFs), denominado TMD-CNFs, ainda são escassos na literatura. Dentre os TMDs, o dissulfeto de molibdênio (MoS2) possui grande versatilidade de aplicações. Obteve-se os nanocompósitos de MoS2 com CNFs (MoS2-CNFs) e suas propriedades ópticas foram estudas por técnicas espectro e microscópicas. Monocamadas de MoS2 foram obtidas com CNFs através de sonicação em meio aquoso e centrifugação. Demonstrou-se através das análises de Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS) e Potencial Zeta (ZP) que o processo de sonicação é eficiente para obtenção de monocamada de MoS2 (m-MoS2) e a celulose pode ser usada como estabilizante das monocamadas, atingindo tamanho médio de 270 nm para o MoS2 e 700 nm para o MoS2-CNFs em suspensão coloidal, com -37,92 mV de ZP em 20% v/v de CNFs adicionada. Verificou-se que as CNFs aglutinam-se na superfície dos flakes de MoS2 através de forças de Van der Waals. Através de análises de AFM, encontrou-se a espessura média de 5 nm para os flakes de MoS2. Mostrou-se que o MoS2 apresenta geometria 2H devido apresentar emissão de segundo harmônico (SH) nulo em monocamadas pares. Análises de espectroscopia UV/VIS mostram que a adição de celulose ocasionou maior pronunciamento das bandas de absorção das monocamadas de MoS2, similar a uma única monocamada de MoS2. Análises morfológicas do compósito MoS2-CNFs indicam que isso ocorre porque a adição das CNFs reduz a desorientação dos flakes de MoS2. Foram encontradas forte fluorescência (FL) e geração de segundo harmônico (SHG) nas m-MoS2 através de análises de Microscopia Confocal (CM). A presença de poucas m-MoS2 na superfície dos flakes de MoS2 justificam a alta emissão de fluorescência do nanocompósito. Resultados indicam que a adição de CNFs resultam em perda de fluorescência. Entretanto, a quantidade de regiões com SH cresce em função da fluorescência. 1777642

As propriedades físicas de materiais, em geral, dependem intrinsecamente de simetrias. Uma propriedade claramente dependente da simetria é a capacidade de materiais não centrosimétricos de gerar luz com o dobro da frequência incidente, o efeito denominado geraçãode segundo harmônico (SHG). O efeito não ocorre em materiais centrosimétricos. Nesta dissertação são apresentados resultados obtidos no estudo de cristais bidimensionais de nitreto de boro hexagonal (h-BN) por microscopia de geração de segundo harmônico. O h-BN é uma heterostrutura de nitrogênio e boro, cujas camadas ímpares não possuem simetria de inversão e por isso possuem a condição necessária para a geração do segundo harmônico. Apresentamos resultados para amostras que passaram por tratamento térmico e apresentam rugas. Mostramos que as rugas são formadas de junções do tipo origami, e seguem preferencialmente a direção cristalina armchair. Nossos resultados também mostram que a microscopia por geração de segundo harmônico possibilita acessar informações da topografia cristalina que não são percebidas facilmente por outros tipos de microscopia. Mostramos também resultados de variações da intensidade do SHG para amostras com poucas camadas e uma monocamada de h-BN. Apresentamos um estudo comparativo entre amostras com e sem tratamento térmico. Os resultados mostram que a intensidade do sinal SHG diminui com o aumento do número de camadas, mas a variação é diferente para cada tipo de amostras. In general the physical properties of materials depend intrinsically on symmetries. A property clearly dependent on symmetry is the ability of non-centrosymmetric materials to generate light with twice the incident frequency, an effect named second harmonic generation (SHG). The effect is absent for centrosymmetric materials. In this work we present results for hexagonal boron nitride (h-BN) nano-crystals studied by second harmonic generation microscopy. The h-BN is a heterostructure of nitrogen and boron, whose odd layers have no inversion symmetry and therefore have the necessary condition for the generation of the second harmonic. We present results for samples that underwent thermal treatment that lead to wrinkle formation. We show that the wrinkles are formed from origami-like joints, and preferentially follow the crystal armchair direction. Our results also show that the second harmonic generation microscopy allows access to information of the crystalline topography that is not easily observed by other types of microscopy. We also show results of the SHG intensity dependence on the number of layers for samples with few layers and a monolayer of h-BN. We present a comparative study between samples with and without heat treatment. The results show that the intensity of the SHG signal decreases with the increase in the number of layers, but the layer number dependence is different for each type of sample.

Dissertação de mestrado em Física (área de especialização Física Fundamental), Os cristais orgânicos têm sido alvo de um especial interesse tecnológico, por apresentarem não-linearidades óticas superiores aos materiais cristalinos inorgânicos. A para-nitroanilina (pNA) é um cristal orgânico que tem sido bastante estudado, pois apresenta uma elevada hiperpolarizabilidade. Contudo, esta cristaliza numa estrutura centro-simétrica, proibindo a ocorrência de respostas óticas não-lineares, como a Geração de Segundo Harmónico (SHG). Verificou-se, porém, que quando estes cristais estão incorporados em nanofibras produzidas pelo processo de electrospin- ning, é medido um alto sinal de SHG. Esta tese tem, assim, como objetivo principal compreender a origem física desta resposta não-linear elevada. Para tal, foram conduzidos dois estudos. O primeiro consiste na criação de um modelo fenomenológico, que pressupõe que a geração de segundo harmónico e proveniente das superfícies, onde existe quebra de centro-simetria do interior do cristal. O segundo estudo procura compreender como o sinal de SHG é afetado com a variação de parâmetros no processo de electrospinning. Para além disso, compara-se o sinal das fibras de pNA com o sinal gerado por nanofibras dopadas com outros cristais orgânicos da mesma família da pNA. Esta análise ser a feita recorrendo aos resultados obtidos através da difracção de raios-X, microscopia electrónica de varrimento e polarimetria de SHG. A medição de um sinal de SHG a partir das nanofibras dopadas com cristais de para-nitroanilina, obtidas por electrospinning, revelou que estas são um gerador de segundo harmónico com bastante potencial, quando são ajustados certos parâmetros do processo mencionado, como o diâmetro de agulha, a taxa de deposição, o potencial aplicado, a concentração do cristal de pNA e o polímero escolhido. Verificou-se, também, uma elevada diferença entre os valores previstos teoricamente através do modelo fenomenológico criado e os valores estimados experimentalmente. Desta forma, o sinal de SHG medido não ser a unicamente proveniente das superfícies do cristal. Aponta-se para uma possível contribuição multipolar ou para um eventual sinal proveniente de uma nova fase que cresce entre as superfícies dos cristais e o polímero e cuja presença não e detetada na difracção de raios-X., Organic crystals have been the focus of a special technological interest, because they present optical nonlinearities superior to inorganic crystalline materials. Paranitroaniline (pNA) is an organic crystal that has been extensively studied due to the fact that it presents a high hyperpolarizability. However, it crystallizes in a centersymmetrical structure, preventing the occurrence of nonlinear optical responses, such as Second Harmonic Generation (SHG). It was found, however, that when these crystals are incorporated into nano bers produced by the electrospinning process, a high SHG signal is measured. Thus, the main objective of this thesis is to understand the physical origin of this high non-linear response. To achieve this goal, two studies were conducted. The rst approaches the creation of a phenomenological model, which assumes that the second harmonic generation is coming from areas where there is a break in the center symmetry in the crystal interior. The second study seeks to understand how the SHG signal is a ected with varying parameters in the electrospinning process and the use of other organic crystals from the same family of pNA in the bers. This analysis will be done using the results obtained by X-ray di raction, scanning electron microscopy and SHG polarimetry. The measurement of the SHG signal from nano bers doped with para-nitroaniline crystals obtained by electrospinning, revealed that these are a second harmonic generator with plenty of potential, when certain parameters of that process are adjusted, as the needle diameter, the deposition rate, the applied potential, the concentration of pNA crystal and polymer selected. It was also found a large di erence between the values experimentally estimated and the values predicted by the created phenomenological model. Thus, it seems that the SHG signal measured does not arise only from the surfaces of the crystal. It is conjectured the existence of a multipolar contribution or a signal from a new phase that grows between the surfaces of the crystals and the polymer and whose presence is not detected in X-ray di raction.

O entendimento das propriedades ópticas não lineares dos nanofios semicondutores é fundamental para pesquisas de materiais bases e fabricação de componentes optoeletrônicos em nanoescala. Um importante fenômeno de óptica não linear é a geração de segundo harmônico, que ocorre em materiais não centrossimétricos e tem sido aplicado no desenvolvimento de novas fontes de luz, uma vez que, é possível gerar um feixe com o dobro da frequência de bombeamento. Além disso, a partir dessa técnica é possível obter informações cristalográficas de alguns materiais, pois o segundo harmônico é sensível às simetrias do cristal. Neste trabalho investigamos a forte influência do politipismo na geração de segundo harmônico de um único nanofio de arseneto de gálio. O arseneto de gálio é um semicondutor que exibe duas estruturas cristalinas: a blenda de zincoe a wurtzita, e é a coexistência dessas duas fases ao longo do nanofio que nomeamos por politipismo. Medidas preliminares de espectroscopia de transmissão mostram que o nanofio contém segmentos de wurtzita, bem como segmentos de blenda de zinco comduas orientações cristalográficas diferentes. Ambas essas estruturas exibem respostas não lineares de segunda ordem, que se comportam de forma distinta, segundo as simetrias de ponto do grupo cristalográfico ao qual pertencem. Desse modo, para investigarcada fase cristalina, medidas de segundo harmônico resolvidas na polarização foram realizadas. E, a partir dos dados experimentais e das simulações teóricas, nós verificamos a presença das duas fases. Além disso, conseguimos determinar a fração de volume dos segmentos de blenda de zinco orientados em direções diferentes, e também a razão entre os elementos do tensor susceptibilidade para a fase wurtzita. The understanding of the nonlinear optical properties of semiconductor nanowires is fundamental for basic material research and manufacturing of optoeletronic components at the nanoescale. An important nonlinear optical phenomenon is the second-harmonic generation that occurs in noncentrosymmetric materials and has been applied in the developmentnew light sources, since it is possible to generate a light beam with a frequency twice that of the pump. Moreover, from this technique one can obtain information about crystallographic features of some materials, because the second-harmonic is sensitive to crystal symmetries. In this work, we investigated the strong influence of polytypism on the second-harmonic generation of a single gallium arsenide nanowire. The gallium arsenide is a semiconductor that exhibits two crystal structures: zinc blende and wurtzite and, is the coexistence of these two phases along the nanowire that we call by polytypism. Preliminary measurements of transmission electron microscopy show that the nanowires have wurtzite segments as well as zinc blende segments with two different crystallographic orientations. Both of these structures exhibit second-order nonlinear responses, which behave differently, according to the symmetry crystallographic point group to which they belong. Thus, to study each crystalline phase, measurements of polarization-resolved second-harmonic generation was performed and, from our experimentaldata we verified the presence of two phases. Furthermore, we can determined the volume fraction of the zinc blende segments oriented in different directions and also the ratio between the elements of the susceptibility tensor of wurtzite phase.

Orientador: Luis Eduardo Evangelista de Araujo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Nesta tese, descrevemos o desenvolvimento de um sistema laser simplificado que opera em 423 nm (baseado em um laser de diodo) e a construção de uma célula de vapor de cálcio com potencial uso em espectroscopia de alta resolução. Nosso trabalho começou com a construção de um laser de diodo em cavidade estendida operando em 846 nm e com uma potência útil de 158 mW que foi montado em configuração Littrow. Em seguida, foi duplicada a freqüência deste laser para 423 nm através de um cristal BIBO (BiB3O6), utilizado dentro de uma cavidade óptica de amplificação. A estabilização da cavidade óptica duplicadora de freqüência foi feita pela técnica de Hänsch-Couillaud para travar uma ressonância da cavidade ao laser infravermelho de entrada. Um máximo de potência de 20 mW no azul foi obtido, mas problemas relacionados ao travamento da cavidade duplicadora dificultam seu uso. Por isto, um segundo laser de diodo em cavidade estendia, similar ao anterior, mas com uma potência útil de 75 mW, foi usado com uma potência máxima de 4 mW no azul e apresentado similares dificuldades ao sistema desenvolvido anteriormente. Uma célula de vapor de cálcio foi construída tendo como fonte de átomos de cálcio um dispensador ¿Alvasource¿ da empresa ¿Alvatec¿. Uma primeira caracterização da célula através de espectroscopia de absorção foi realizada demonstrando seu potencial uso para experimentos em Física Atômica Abstract: In this thesis, we describe the development of a simplified laser system that operates at 423 nm (based on a diode laser) and the construction of calcium vapor cell with potential use in high resolution spectroscopy. Our work began with the construction of a extended-cavity diode laser operating at 846 nm with an output of 158 mW that was mounted in Littrow configuration. Then, the laser¿s frequency was doubled to 423 nm through a BIBO (BiB3O6) crystal used within a power enhancement cavity. The stabilization of the frequency doubling cavity was made by Hänsch-Couillaud technique to lock a cavity resonance to the input infrared laser. A maximum power of 20 mW was obtained in the blue, but problems related to locking the doubling cavity hamper its use. Therefore, a second extended-cavity diode laser, similar to the above but with an output of 75 mW was tried, reaching a maximum power of 4 mW in the blue. However, it presented similar difficulties to the system developed earlier. A calcium vapor cell was constructed based on Ca ¿Alvasource¿ dispenser by ¿Alvatec¿. A first characterization of the cell by absorption spectroscopy was performed demonstrating its potential use for experiments in atomic physics Mestrado Ótica Mestre em Física

Orientador: Carlos Lenz Cesar Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Biologia celular é um novo mundo promissor com enorme impacto social, econômico e na saúde. Organismos vivos são capazes de, produzir a própria energia a partir da luz do sol, se reproduzir, de se auto-reparar, sinalizar e navegar por sinais bioquímicos, biomecânicos, luminosos, térmicos, e outros, e produzir materiais à temperatura ambiente. As possibilidades abertas por essa área incluem, desde bactérias e protozoários usados para destruir células de câncer, regeneração de órgãos inteiros, produção de etanol a partir de algas, e outros. Entretanto, para o entendimento da biologia em seu nível mais profundo, ferramentas de observação não destrutivas fazem-se necessária para seguir os processos celulares durante seu tempo de vida. A óptica tem a única onda não destrutiva capaz de fornecer informações em tempo real com suficiente resolução espacial de eventos acontecendo internamente à célula. Ademais, porque feixes de luz não colidem, a óptica permite a integração de diferentes técnicas capazes de reunir informações simultâneas de processos celulares. Óptica não linear é especialmente adequada para tal, pois não requer marcação ou processamentos especiais de amostras que poderiam destruir, ou modificar, os processos celulares. Além disso, técnicas elásticas, como a geração de segundo e terceiro harmônicos não liberam energia no material que é, portanto, preservado após a observação. O objetivo dessa tese é desenvolver uma plataforma multimodal para observação de processos biológicos pelo uso de microscopias de fluorescência excitada por absorção de dois fótons, geração de segundo harmônico e geração de terceiro harmônico no mesmo instrumento. Nosso grupo foi pioneiro em demonstrar a aquisição de imagens de geração de segundo harmônico no Brasil e, essa tese é a primeira a realizar a aquisição de imagens por geração de terceiro harmônico. Estas três técnicas juntas fornecem informações complementares a respeito da organização de células e tecidos. Enquanto a fluorescência pode ser específica para algumas proteínas alvo, o segundo harmônico pode observar a rede de colágeno da matriz extra celular e, o terceiro harmônico pode observar os núcleos e gotículas de lipídios internas às células. Esta tese descreve o sistema experimental para realizar essas aquisições multimodais de imagens, a física por trás dos sinais não lineares, importantes para entender seu significado biológico, e mostra aplicações das técnicas para diferentes amostras biológicas e inorgânicas Abstract: Cell biology is promising a brave new world with enormous social economic and health impacts. Living organisms are capable of producing their own energy from sun light, reproduce, self-repair, signalize and travel in response to biochemical, biomechanical, light and thermal signals among others, and to produce materials at room temperature. The possibilities opened by this area range from bacteria and protozoa used to destroy cancer cells, whole organs regeneration, ethanol produced from algae, and others. However, to actually understand biology at its deepest level no destructive observation tools are necessary to follow cell processes during their time course. Optics is about the only wave capable to provide non destructive real time information with enough spatial resolution of the events happening inside the cells. Moreover, because light beams do not collide, optics allows the integration of different techniques capable to gather simultaneous information during a cell process. Non linear optics is specially suited for that in the sense that it does not require staining or special sample processing that would destroy, or change, the process. Besides, elastic techniques such as second and third harmonic generation do not release energy at the material which is therefore preserved after the observation. The objective of this thesis is to develop a multimodality platform for biology process observation by using Two Photon Excited Fluorescence, Second Harmonic Generation and Third Harmonic Generation Microscopy with the same instrument. Our group was the first one to demonstrate the acquisition of Second Harmonic Generation images in Brazil and this thesis is the first one to perform the acquisition of third harmonic generation images. These three techniques together provide complementary information respect to cell and tissue organization. While fluorescence can be specific target to some proteins, second harmonic can observe the collagen network of extra cellular matrix and the third harmonic can observe the nucleus and lipid droplets inside the cells. This thesis describe the experimental setup to perform these multimodal image acquisition, the physics behind the non linear signals, important to understand their biological mean, and shows applications of these techniques for different biological and inorganic samples Mestrado Física Mestre em Física

Amorphous materials present macroscopic inversion symmetry. As a consequence, their even order nonlinearities are null. The technological interest in vitreous medium with second order nonlinearity ( χ(2) ) to make photonic devices has stimulated the development of techniques to induce this property. Among them, the thermal-electric field poling is one of the most investigated due its experimental simplicity and results reproducibility. In this work the investigations were directed to the thermal-electric field poling dynamics in soda-lime glasses in view of identify the mainly contributions to the induced nonlinearity stability. Initially were identified the mainly contributions to the induced electrical current. It was observed during the polarizations electroluminescence emission which was shown to be due to ionic displacement and air ionization outside the sample. By using a simplified ionic conduction model was determined two activation energies: ~0,60 and ~3,8eV. The first one, determined from the induced electrical current, was attributed to the sodium conduction; while the second ones, determined by the electroluminescence, attributed to the calcium displacement. Besides the small contribution to the electrical current, the calcium ions, due their small diffusion coefficient, were identified as responsible to the possibility of induce stable second order nonlinearity in soda-lime glasses. Based on these evidences it was used an alternative procedure in which the electrical current flux is controlled. This procedure enabled induce stable χ(2) . This effect was demonstrated to exist 12 months after the polarization procedure, even with a ~50% decrease. The second harmonic generation efficiency was increased in until three times by pumping continuously the polarized samples with infrared radiation from an Nd-YAG laser operating at QSML regime. The threshold applied voltage to observe χ(2) was determined through a modulated applied voltage procedure to be due to the mobility difference between sodium and calcium. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Materiais amorfos apresentam simetria de inversão macroscópica e, como conseqüência, as nãolinearidades ópticas de ordem par são nulas. A necessidade tecnológica de que meios vítreos apresentem não-linearidade de segunda ordem ( χ(2) ), visando principalmente o desenvolvimento de dispositivos fotônicos, fortalece a busca por técnicas para a sua indução. Dentre estas, o processo termo-elétrico de polarização tem sido muito investigado devido, principalmente a sua simplicidade experimental e a reprodutibilidade dos resultados. Neste trabalho as investigações são dedicadas à dinâmica do processo termo-elétrico em vidros soda-lime visando identificar as principais contribuições para a estabilidade da não-linearidade induzida. Inicialmente foram verificadas as principais contribuições à corrente elétrica induzida. Durante as polarizações observou-se emissão de eletroluminescência. Mostrou-se que esta é devido ao deslocamento dos íons de cálcio e possíveis ionizações do ar fora da amostra. Usando um modelo simplificado de condução iônica determinou-se duas energias de ativação: ~0,60 e ~3,8eV. A primeira, determinada a partir da corrente elétrica induzida, foi atribuída à condução dos íons de sódio; enquanto a segunda, determinada pela eletroluminescência, aos íons de cálcio. Apesar de pequena contribuição na corrente elétrica induzida, os íons de cálcio, devido ao baixo coeficiente de difusão, foram identificados como os responsáveis pela possibilidade de indução de χ(2) estável em vidros soda-lime. Baseado nessas evidências foi utilizado um procedimento alternativo de polarização controlando do fluxo de corrente induzida que permitiu a indução de χ(2) estável. Este efeito pôde ser comprovado existir 12 meses após o processo de polarização, mesmo com redução de ~50% do valor inicial. Observou-se que a eficiência na geração de segundo harmônico pôde ser aumentada em até 3 vezes quando as amostras polarizadas foram bombeadas continuamente com laser Nd-YAG operando no regime QSML. Através de procedimento com tensão elétrica aplicada modulada foi identificada a origem da tensão elétrica de limiar como sendo devido à diferença de mobilidade entre os íons de sódio e cálcio.

Universidade Federal de Pernambuco Neste trabalho, observamos evidências da interação de longo alcance entre átomos de Rydberg usando um processo não linear, a geração de segundo harmônico (SHG), em um vapor contendo alta densidade de átomos de rubídio.O sinal de segundo harmônico, ressonante por dois fótons, é observado a partir de estados altamente excitados, s , p e d, onde a assinatura da interação de longo alcance aparece como um alargamento espectral assimétrico para o lado de baixas energias das linhas de ressonância. Esta assimetria é comparada com cálculos teóricos das curvas de potencial assintóticas para os pares de átomos interagentes, mostrando uma boa concordância dos resultados experimentais com as previsões teóricas. Para estados de Rydberg nd, com número quântico principal n≈13, um estudo detalhado da dependência do alargamento com a intensidade do laser de excitação e para diferentes densidades atômicas foi realizado. A observação de uma fraca dependência da intensidade do sinal com a densidade atômica sugere uma supressão da excitação coerente, e/ou a participação de outros processos de decaimento. Para os estados de Rydberg np, com n≈12 , observamos um comportamento distinto para o dubleto de estrutura fina, P 1/2 e P 3/2. Enquanto as linhas P 3/2 apresentam um alargamento assimétrico e uma fraca dependência com a densidade atômica, semelhante ao observado para as linhas nd, as linhas P 1/2, permanecem estreitas e apresentam uma dependência diferenciada com a densidade atômica. Nossos experimentos, usando vapor de Rb com alta densidade atômica e um processo não linear coerente, podem ser vistos como proposta de uma técnica não destrutiva para investigar interação de longo alcance e suas possíveis aplicações em informação quântica

Estudamos efeitos ópticos não-lineares em vapores alcalinos, quando níveis de Rydberg estão envolvidos como estados intermediários, quase ressonantes, em processos como: mistura de quatro ondas (MQO), absorção de dois fótons, geração de soma (SF) e diferença de freqüência (DF). Analisamos um processo de MQO, com transições de dois fótons envolvendo níveis de Rydberg do átomo de rubídio, e observamos franjas de interferência no sinal não linear. Neste estudo, mostramos que é possível ter um controle coerente sobre os múltiplos caminhos quânticos acessíveis ao sistema atômico, explorando a dependência do sinal não linear com a polarização dos feixes incidentes. Medimos a visibilidade das franjas observadas e obtivemos valores de 100% para o contraste da interferência, na ressonância de dois fótons com um nível de Rydberg. Os resultados experimentais apresentam um bom acordo com cálculos teóricos, baseados no formalismo da matriz densidade aplicado a um sistema atômico de quatro níveis. A distribuição de população para um átomo de quatro níveis foi calculada no regime estacionário, resolvendo as equações da matriz densidade em ordens superiores nos campos incidentes. Mostramos que uma interferência entre os caminhos quânticos de excitação de um estado atômico pode levar ao cancelamento ou ao aumento da população desse nível, dependendo das polarizações dos lasers incidentes. Estudamos também efeitos transientes, resolvendo a equação de Schrödinger dependente do tempo para um sistema de três níveis na configuração V, e previmos a ocorrência de oscilações de Rabi de dois fótons, e batimentos quânticos nas populações do sistema atômico. Finalmente, medimos pela primeira vez a geração da DF em uma amostra de rubídio em alta densidade, através de um processo proibido por dipolo elétrico, envolvendo níveis de Rydberg. Utilizando o modelo do campo elétrico estático, induzido por fotoionização, como um mecanismo de quebra de simetria, desenvolvemos cálculos teóricos que permitiram prever a forma espacial do sinal não linear gerado, e comparar com os resultados existentes na literatura para a geração de segundo harmônico em vapores atômicos