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Orientador: Alvin Elliot Kiel Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin Resumo: Apresentamos um estudo da interação ressonante de duas ou mais ondas num absorvedor saturável (AS) que se acoplam através de modulações de populações. No caso de mistura de duas ondas (não colineares) da mesma freqüência as populações se modulam espacialmente e o AS atua como uma grade de difração, espalhando as ondas incidentes em novas direções. Analisamos ¿ sem aproximações perturbativas - a difração em qualquer ordem, e apresentamos resultados de experimentos realizados num corante orgânico que confirmam vários aspectos desta teoria. Na mistura de ondas de diferentes freqüências e propagação colinear as populações se modulam temporalmente e o espalhamento é inelástico. Consideramos particularmente os casos de interesse na espectroscopia de saturação e nas técnicas de determinação de tempos de relaxação ultracurtos, com uma onda forte e uma ou duas ondas de prova. Analisamos aqui a evolução das três ondas a medida que se propagam no meio, levando em conta o acoplamento e os efeitos da atenuação e saturação. Estendendo este estudo ao caso em que o AS está dentro da cavidade de um laser, mostramos que, nas condições típicas para o "mode locking" passivo, o AS atua efetivamente como um filtro seletivo de modos, atenuando os mais intensos e permitindo o crescimento dos fracos com fases bem definidas, o que tende a suavizar e alargar a envolvente do espectro da radiação dentro da cavidade Abstract: A study of resonant interactions of two or more waves coupled through population modulation in a saturable absorber (SA) is presented. In the case ot two strong, non collinear waves at equal frequencies, the population in the SA is spatially-modulated and the incident waves are scattered into the various orders of the population grating. A non perturbative relation for the scattered intensity in any diffraction order is derived and experimental results which confirm the main aspects of this theory are described. We consider next the collinear mixing of waves of different frequencies, where the population modulation has a temporal component and the scattering is inelastic. Special attention is devoted to coherent saturation spectroscopy and meassurents techniques of ultra-short relaxation times in the frequency domain, where one has a very strong wave and one or two weak probes. The analysis of the evolution of the waves as they propagate through the SA includes saturation, pump depletion and coherent coupling effects. Generalizing this study to the case where the SA is within a laser cavity, it is shown that under the .typical conditions found in passive mode looking, the SA acts as a very efficient selective mode filter, attenuating the more intense modes while transmitting the weaker ones (with a well defined phase) , thus smoothing and broadening the spectral envelope of the cavity field Doutorado Física Doutor em Ciências

Neste trabalho, apresentamos uma extensão da técnica de varredura-Z baseada na análise espectral da evolução temporal da transmitância, quando um feixe laser é modulado numa freqüência f. As componentes de Fourier da evolução temporal da transmitância em f e 2f estão respectivamente relacionadas com os efeitos lineares e não-lineares e sua razão pode ser usada na eliminação de efeitos lineares. Este método, denominado varredura-Z resolvida em frequência, permite um aumento significativo na sensibilidade da técnica de varredura-Z em medidas de absorvedores lentos. Tal método se combinado com \"EZ-scan\" permite medidas de modulação de fase correspondentes a distorções da frente de onda de λ/105. A aplicabilidade bem como a sensibilidade desta técnica foram demonstradas em medidas realizadas em absorvedores lentos, especificamente o rubi e o aluminato de gadolínio dopado com cromo. Tais materiais são convenientes para estes fins, pois já tiveram suas não-linearidades investigadas anteriormente por diversos métodos. Como aplicação da técnica fizemos medidas das propriedades ópticas lineares e não-lineares em uma amostra de vidro fluoroindato dopado com cromo. Observamos que os valores de n2 (λ) seguem a curva de absorção desse material, e propomos um modelo que relaciona a origem da não-linearidade com as transições eletrônicas que ocorrem na região do visível. This work presents an extension of the Z-scan technique based on the spectral analysis of the transmittance time-evolution when the laser beam is modulated at a frequency f. The Fourier components of the transmittance time-evolution at f and 2f are respectively related to the linear and nonlinear effects and their ratio can be used to eliminate spurious linear effects. This method, known as frequency resolved Z-scan, allows a significative increase in the sensitivity of the Z-scan technique for measurements of slow absorbers. When combined with the EZ-scan technique, it can measure transmittance changes corresponding to wavefront distortions of λ/105. The demonstration of the technique was carried out for slow absorbers, ruby and chromium-doped gadolinium aluminate. Such materials were conveniently chosen for this purpose since their optical nonlinearities are well stablished. As an application, we present linear and nonlinear optical properties of a chromium-doped fluorindate glass sample. We found that the values of n2 (λ) follow the absorption curve in this material and we have proposed a model which relates the origin of the nonlinearity with the electronic transitions that occur in the visible region of the spectrum.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO Um estudo completo da dispersão dos modos de polarização (PMD) em fibras ópticas foi apresentado. Uma nova proposição de Emuladores de PMD com comprimentos de acoplamento aleatóriamente gerados foram comparados, teórica e experimentalmente, com os comumente encontrados na literatura. Um novo método para a medida da freqüência óptica em função do tempo baseado na técnica da discriminação de freqüências ópticas através de um filtro foi apresentado, mostrando suas vantagens sobre outro método encontrado na literatura. Utilizando este novo método foram medidas as características espectrais de alguns lasers DFB modulados em alta freqüência. Os efeitos das PMDs de primeira e segunda ordem em transmissões digitais de alta capacidade foram avaliados, através de medidas da distorção temporal do pulso óptico, bem como pelas penalidades de potência induzidas. O tratamento estatístico das penalidades de potência foi discutido, mostrando que as distorções por PMD de segunda ordem podem levar a uma eventual melhora do desempenho do sistema. Foi proposto um modelamento teórico para a PMD em fibras ópticas, baseado no comportamento observado nos novos emuladores de PMD ccom comprimento de acoplamento aleatório. A complete study of polarization mode dispertion (PMD) in optical fibers is presented. A new class of PMD emulators with random mode coupling lengths is proposed and compared experimentally and theoretically with other emulators exinting measurements, based in a optical filter transfer function is also presented and compared with the preceding method.With this new method the time domain spectral characteristics of some high frequency modulated DFB lasers were measured. First and second order PMD effects in high speed digital transmission were evaluated through both temporal distortion and power penalties measurement. The statistical treatment of the power penalties was discussed, showing that signal distortion by PMD may eventually improve the performance of the system. A theoretical model of simulate the signal propagation along the fiber was porposed, based on the emulator conception with random coupling lengths.

Neste trabalho desenvolvemos um novo método para análise biométrica do olho. Essa análise se compõe de medidas dos parâmetros biomecânicos, ou seja, espessura da córnea, distancia entre a córnea e o cristalino, espessura do cristalino, e distancia entre o cristalino e a retina. Este novo método funciona utilizando o princípio da interferometria com laser de baixa coerência. O conhecimento desses parâmetros e de suma importância para o fornecimento de dados necessários para o implante de lentes intra-oculares, em casos de catarata. Alem disso, eles permitem diagnosticar patologias clinicamente caracterizadas por suas alterações. O instrumento convencionalmente utilizado para essas medidas e o biômetro ultra-sônico. Embora esses biômetros sejam práticos e eficientes, a resolução por análise ultra-sônica esta limitada ao fato do tecido ocular não fornecer ecos satisfatórios em freqüências muito acima de 10 MHz. Uma limitação na resposta de freqüência determina uma subseqüente limitação na precisão de medida, já que esta será tanto maior quanta maior a freqüência. Uma variedade de técnicas diferentes tem sido experimentada nos últimos dez anos visando estabelecer um método mais preciso. Entretanto, várias das alternativas existentes têm sido rejeitadas devido à complexidade operacional e altos custos. A técnica interferométrica, entretanto, reúne alta resolução, simplicidade operacional e baixo custo. Isso pode ser constatado pelos resultados obtidos, os quais revela um enorme potencial aplicativo para futuros trabalhos de pesquisa ou mesmo de diagnose. In this work we have developed a new method for biometric analysis of the eye. This analysis consists of measurements of biomechanical parameters, like thickness of the cornea, distance between the cornea and the crystalline lens, thickness of the crystalline lens and distance between the crystalline lens and the retina. In this new method we use the interferometric principle with a low coherence laser. The knowledge of these parameters is very important in order to supply the necessary data for the implant of intraocular lenes, in the cases of cataract. Besides of allow the diagnosis of the pathologies, which are characterized by their changes. The instrument used in the measurements is an ultrasonic biometer. However the resolution of this instrument is limited by the ocular tissue, which does not allow satisfactory echos in frequencies above 10 MHz. A variety of the techniques have been used in the last ten years in the order to establish a more accurate method. However most of the existing alternatives have been rejected due to operational complexity and high cost. The interferometric technique unites high resolution, operational simplicity and low cost. This can be concluded by the results obtained in this work, which demonstrate the great potentiality of the method for future in academic research or clinical diagnosis.

Neste trabalho utilizamos a técnica de mistura de duas ondas quase degeneradas na investigação das propriedades ópticas não lineares, associadas à mudança de índice de refração com a intensidade da luz, em materiais dopados com cromo: Al2O3:Cr3+ (rubi), BeAl2O4:Cr3+ (alexandrita) e GdAlO3:Cr3+ (aluminato de gadolínio dopado com cromo). A não linearidade Kerr para o GdAlO3: Cr3+ é bastante significativa, de modo que neste material o parâmetro de ganho do feixe de prova apresenta um comportamento muito peculiar e que não encontra explicação nos tratamentos teóricos usuais do processo de mistura de duas ondas. Em particular, o ganho do feixe de prova neste material atinge percentuais superiores a 200%. Desta forma, desenvolvemos um tratamento teórico que descreve a mistura de duas ondas quase degeneradas em meios onde o índice de refração depende da intensidade (n= n0+n2I). Esta abordagem teórica leva em consideração os efeitos de saturação da grade de população produzida pela intersecção dos feixes de luz no meio Kerr (não harmonicidades da grade) e o processo de mistura de duas ondas é considerado como um caso particular do fenômeno da auto-difração difração de ordem zero. Os resultados teóricos foram comparados com os resultados experimentais e várias previsões teóricas como, a dependência do parâmetro de ganho do feixe de prova com a intensidade de saturação do meio, a dependência da diferença de freqüência entre os dois feixes incidentes onde o ganho é máximo com a intensidade do feixe de bombeamento, foram confirmadas experimentalmente In this work nearly degenerate two-wave mixing technique is used in order to investigate nonlinear optical properties, associated to the refractive índex change by incident light, in a few doped crystals: Al2O3:Cr3+ (ruby), BeAl2O4:Cr3+ (alexandrite) e GdAlO3:Cr3+ (gadolinium aluminate chromium doped). The Kerr nonlinearity in GdAlO3:Cr3+ is very high, so that the probe gain parameter has peculiar behavior in this material and this cannot be explained by using the current approach found in the literature. In particular, the probe gain parameter in this material reaches percentuals above 200%. In this way, we develop a theoretical approach which describes nearly degenerate two-wave mixing in media where the refractive índex is intensity dependent. This theoretical approach takes into account the saturation of the travelling population grating produced by two interesting beams (anharmonicities of the population grating) and the two-wave mixing process is regarded as the zero-order self-diffraction of the incident waves in this grating. The theoretical results are compared with the experimental ones and several theoretical predictions such as, the dependence of the probe gain parameter on the médium saturation intensity were experimentally verified