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© 2020 Optical Society of America]. One print or electronic copy may be made for personal use only. Systematic reproduction and distribution, duplication of any material in this paper for a fee or for commercial purposes, or modifications of the content of this paper are prohibited. In a downlink scenario, the performance of laser satellite communications is limited due to atmospheric turbu- lence, which causes fluctuations in the intensity and the phase of the received signal, leading to an increase in bit error probability. In principle, a single-aperture phase-compensated receiver, based on adaptive optics, can over- come atmospheric limitations by adaptive tracking and correction of atmospherically induced aberrations. However, under strong turbulence situations, the effectiveness of traditional adaptive optics systems is severely compromised. We have developed an alternative intensity-based technique that corrects the wavefront by iter- atively updating the phases of individual focal-plane speckles, which maximizes the power coupled into a single- mode fiber. Here, we present the proof of concept for this method. We show how this technique offers around 4 dB power gain with fewer than 60 power measurements under strong turbulence conditions. It delivers a good performance in different turbulent regimes, and it shows robustness against severe deterioration of the signal-to-noise ratio.

Laser Feedback Interferometry is based on the self-mixing effect. When light emitted from a laser reflects in a target and is reinjected into its cavity, the optical parameters of the laser change providing information about the target. As a result, LFI techniques with semiconductor lasers are widely used because they offer simple, low-cost and of reduced dimensions set-ups. The main aim of this thesis was to acknowledge this effect through the basic and traditional experiments and to introduce it to more complex experiences. In particular, during this thesis we have studied the physics of placing an external optical arm to the interferometer, consolidating one of the model's assumptions and answering one of the most current questions for researchers; and on the other hand, we have been able to develop a new LFI technique for fluid sensing related applications, capable of detecting and measuring bubbles travelling through a microfluidic channel. We have demonstrated that a real-time bubble detector with a high sensitivity is possible to implement with a simple set-up and, additionally, the bubble's volume can also be estimated with accuracy; offering the chance to be very useful in in applications such as biomedicine and particle manufacturing using microfluidics. La interferometría láser de realimentación, LFI por sus siglas en inglés, está basada en el efecto de auto-mezcla, self-mixing. Éste se produce cuando la luz emitida por el láser es reinyectada dentro de la cavidad de este después de ser reflejada sobre un objetivo. Como consecuencia, las propiedades ópticas del láser se ven modificadas, dando información sobre el objectivo. Como resultado, las técnicas LFI utilizando lásers semiconductores son ampliamente utilizadas por sus set-ups sencillos, de reducidas dimensiones y bajo coste. El objetivo de este TFG ha sido conocer y aprender este efecto a partir de los experimentos básicos y tradicionales para poder aplicarlos a experiencias más complejas. En concreto, durante este TFG se ha profundizado sobre la física de situar un brazo externo al interferómetro, consolidando una de las suposiciones del modelo y respondiendo una de las cuestiones más actuales de la investigación; y por otra banda, se ha creado una aplicación directa a detectar burbujas en tiempo real viajando a través de un canal de microfuídica. Éste último ha demostrado una gran sensibilidad a la detección de las burbujas y, adicionalmente, se ha podido estimar su volumen con precisión; ofreciendo la posibilidad de ser de gran utilidad en aplicaciones como la biomedicina y la producción de partículas a través de la microfluídica. L'interferometria làser de realimentació, LFI per les seves sigles en anglès, està basada en l'efecte d'autobarreja, self-mixing. Aquest es produeix quan la llum emesa pel làser és reinjectada dins la cavitat d'aquest després de veure's reflectida sobre un objectiu. Llavors, les propietats òptiques del làser es veuen modificades, donant informació sobre l'objectiu. Com a resultat, les tècniques LFI utilitzant làsers semiconductors són àmpliament utilitzades pels seus set-ups senzills, de dimensions reduïdes i de baix cost. L'objectiu d'aquest TFG ha sigut conèixer i aprendre aquest efecte a partir dels experiments bàsics i tradicionals per a poder aplicar-lo a experiències més complexes. En concret, durant aquest TFG s'ha profunditzat en la física de situar un braç òptic extern a l'interferòmetre, consolidant una de les suposicions del model i responent una de les qüestions actuals en la recerca; i per altra banda, s'ha creat una aplicació directa a detectar bombolles en temps real viatjant per un canal de microfluídica. Aquest últim ha demostrat una gran sensitivitat a detectar les bombolles i, addicionalment, s'ha pogut estimar el seu volum amb precisió; donant la possibilitat de ser de gran utilitat per a aplicacions com la biomedicina i la producció de partícules a través de la microfluídica.

Diseño e implementación de un sistema automatizado de inspección óptica artificial de bajo coste. The aim of the project is to design and implement a low cost system using artificial optical inspection technologies. The system has to be able to inspect the components that currently are carried out by operators in a production line in order to improve the productivity and quality of the product that is manufactured in a electronic company. The Project has two phases: in the first phase the vision system has to be designed, evaluated and implemented in a prototype line to check the performance during a period of time; in the second phase, some technical and cost improvements has to be done and after that has to be implemented in seven production lines more. This last phase is out of the scope of this project. To make the project feasible and profitable it is mandatory to design a low cost inspection system, flexible and with minimal maintenance costs. In this direction it has been analyzed in detail the current problem in the production line, using statistical quality tools to thus be able to focus the problem to be solved. At the same time the production data has to be analyzed (volumes, cycle times, types of products, etc...) to determine the minimum speed system to design. All this analyses are basic in order to choose the proper software, image acquisition system, interfaces, mechanical design for line integration, etc. El objetivo del proyecto es el de diseñar e implementar un sistema automatizado de inspección óptica artificial de bajo coste que pueda, mejorar o sustituir, la inspección que actualmente realizan los operarios de una línea de producción de forma visual, para de esta forma, mejorar la productividad y la calidad del producto que se fabrica en una empresa del sector de la electrónica de consumo. El proyecto consta de dos etapas; una primera fase en la cual se evalúa, diseña e implementa el sistema de IOA en una línea de producción, a modo de test, durante un periodo de tiempo para ver sus resultados. En la segunda fase del proyecto se realizarán mejoras tanto a nivel técnico como de costes y se expandirá el sistema a 7 líneas de producción más. Ésta fase queda excluida del proyecto que aquí nos ocupa, ya que para la misma se creará un grupo de trabajo específico. Para que el proyecto sea factible y rentable, se ha de conseguir un sistema de inspección visual de bajo coste, flexible y con costes de manutención mínimos. Para ello se debe analizar en detalle el problema actual de la línea de producción, usando herramientas estadísticas de calidad para de esta forma poder focalizar el problema a resolver. A posteriori se analizaran los datos relativos a la producción (volúmenes, tiempos de ciclo, tipología de productos, etc.) para determinar la velocidad mínima del sistema a diseñar. L'objectiu del projecte és el de dissenyar i implementar un sistema automatitzat d'inspecció òptica artificial de baix cost que pugui, millorar o substituir, la inspecció que actualment realitzen els operaris d'una línia de producció de forma visual, per d'aquesta manera, millorar la productivitat i la qualitat del producte que es fabrica en una empresa del sector de l'electrònica de consum. El projecte consta de dues etapes; una primera fase en la qual s'avalua, dissenya i implementa el sistema de IOA en una línia de producció, a manera de test, durant un període de temps per veure els resultats. A la segona fase del projecte a l'empresa es realitzaran millores tant a nivell tècnic com de costos i s'expandirà el sistema a 7 línies de producció més. Aquesta fase queda exclosa del projecte que aquí ens ocupa, ja que per a la mateixa es crearà un grup de treball específic. Perquè el projecte sigui factible i rendible, s'ha d'aconseguir un sistema d'inspecció visual de baix cost, flexible i amb costos de manutenció mínims. Per a això s'ha d'analitzar en detall el problema actual de la línia de producció, usant eines estadístiques de qualitat per així poder focalitzar el problema a resoldre. A posteriori s'analitzaran les dades relatives a la producció (volums, temps de cicle, tipologia de productes, etc.) per determinar la velocitat mínima del sistema a dissenyar.

Realitzar un software de caracterització de polsos lasers ultracurts basats en el mètode Mefisto: Measurement of the electric field by interferometric trace observation. [ANGLÈS] Due to their extremely short time duration and their high intensity, ultrashort laser pulses play an important role in many science and technology fields. In most of their applications, pulses must be characterized before being used, that is to say, their complex electric field must be known. However, that brief time duration makes characterization difficult, and as a result methods based on indirect measurements are needed. One of the techniques that allow ultrashort laser pulses characterization is MEFISTO (Measurement of Electric Fields by Interferometric Spectral Trace Observation), which is able to recover the complex electric field from two ultrashort laser pulses simultaneously and in an analytical way. To achieve this, MEFISTO uses the spectrally resolved interferometric correlation of these pulses, known as interferometric trace. In this Final Degree Project a graphical application which implements MEFISTO practically has been designed and programmed. This application, named betaMEFISTO, comprises two different modes of operation: a theoretical mode and an experimental mode. The first one allows to simulate the electric field of two ultrashort pulses, calculate their interferometric trace, analyze it with MEFISTO algorithms and finally compare obtained fields with original ones. Therefore, theoretical mode offers a tool for studying this characterization technique. On the other hand, experimental mode allows to load and process an interferometric trace obtained in a lab, retrieving the amplitude and phase of the pulses from which the trace was generated. The main goal of betaMEFISTO is to provide a basic working environment for further investigation about MEFISTO. Once the application development has been finished, a study has been carried out in order to evaluate its functionality and utility depending on the used pulses and traces characteristics. Finally, those aspects that should be reinforced and investigated in future projects have also been discussed. [CASTELLÀ] Por su duración extremadamente breve y su elevada intensidad, los pulsos láser ultracortos juegan un importante papel en numerosos ámbitos científicos y tecnológicos. En muchas de las aplicaciones de estos pulsos es necesario caracterizarlos previamente, es decir, conocer cuál es su campo eléctrico complejo. Sin embargo, es precisamente su corta durada lo que dificulta esa caracterización, y lo que provoca que sea necesario usar métodos basados en medidas indirectas. Una de las técnicas que permiten la caracterización de pulsos láser ultracortos es MEFISTO (Measurement of Electric Fields by Interferometric Spectral Trace Observation), capaz de obtener el campo eléctrico complejo de dos pulsos láser ultracortos de manera simultánea y a partir de procedimientos analíticos. Para ello utiliza la correlación interferométrica de los dos pulsos resuelta espectralmente, lo que se conoce como traza interferométrica. En este Proyecto de Final de Carrera se ha diseñado y programado una aplicación gráfica que implementa de forma práctica la técnica MEFISTO. Esta aplicación, llamada betaMEFISTO, cuenta con dos modos de funcionamiento: un modo teórico y un modo experimental. El modo teórico permite simular el campo eléctrico de uno o dos pulsos ultracortos, calcular su traza interferométrica y analizarla usando MEFISTO, pudiendo comparar los campos obtenidos con los campos originales y ofreciendo por tanto una herramienta de estudio sobre esta técnica de caracterización. Por otro lado, el modo experimental permite cargar i procesar una traza interferométrica experimental obtenida en el laboratorio, recuperando el módulo y la fase de los pulsos que la han generado. El objetivo fundamental de betaMEFISTO es ofrecer un entorno a partir del cual se pueda seguir trabajando e investigando alrededor de MEFISTO. Una vez desarrollada la aplicación, se ha estudiado su funcionalidad y su eficacia en función de las características de los pulsos y de las trazas interferométricas usadas. Finalmente, se han recogido aquellos aspectos que se deben reforzar y sobre los cuales se debería seguir trabajando en posteriores proyectos. [CATALÀ] Per la seva durada extremadament breu i la seva elevada intensitat, els polsos làser ultracurts tenen un paper important en nombrosos àmbits científics i tecnològics. En moltes de les aplicacions d’aquests polsos es fa necessari caracteritzar-los prèviament, és a dir, conèixer quin és el seu camp elèctric complex. Però és precisament la seva curta durada el que dificulta aquesta caracterització, i el que fa que sigui necessari usar mètodes basats en mesures indirectes. Una de les tècniques que permet la caracterització de polsos làser ultracurts és MEFISTO (Measurement of Electric Fields by Interferometric Spectral Trace Observation), capaç d’obtenir el camp elèctric complex de dos polsos làser ultracurts de manera simultània i a partir de procediments analítics. Per fer-ho utilitza la correlació interferomètrica dels dos polsos resolta espectralment, coneguda com traça interferomètrica. En aquest Projecte de Final de Carrera s’ha dissenyat i programat una aplicació gràfica que implementa de manera pràctica la tècnica MEFISTO. Aquesta aplicació, anomenada betaMEFISTO, té dos modes de funcionament: un mode teòric i un mode experimental. El mode teòric permet simular el camp elèctric d’un o dos polsos ultracurts, calcular la seva traça interferomètrica i analitzar-la amb MEFISTO, podent comparar els camps obtinguts amb els camps originals i oferint per tant una eina d’estudi sobre aquesta tècnica de caracterització. Per altra banda, el mode experimental permet carregar i processar una traça interferomètrica experimental obtinguda en el laboratori, recuperant el mòdul i la fase dels polsos que l’han generat. L’objectiu fonamental de betaMEFISTO és oferir un entorn a partir del qual es pugui seguir treballant i investigant al voltant de MEFISTO. Un cop desenvolupada l’aplicació, se n’ha estudiat la seva funcionalitat i la seva eficàcia en funció de les característiques dels polsos i de les traces interferomètriques utilitzades. Per acabar, s’han recollit aquells aspectes que cal reforçar i sobre els quals caldria seguir treballant en projectes futurs.

In the reported studies on IOL’s quality and performance, both in monofocal and multifocal lenses, an optical bench at the laboratory is commonly used to simulate a model eye whose IOL can be changed. This model eye produces an aerial image that is usually the object of interest. A microscope is used to magnify this aerial image and a CCD sensor to capture it so that the final image is obtained. The model eye is precisely described by international standards that contain the details for simulating it in an optical bench. These standards are ISO 11979-2 y 11979-9. However, the image acquisition system combined with the model eye is not described by the standards. Usually, the image acquisition system consists of an infinity corrected objective, a tube lens with fixed focal length, and a CCD sensor to capture the image. The observed object is placed at the front focal plane of the objective (FO) and, in this way, the image is formed at the back focal plane of the tube lens (Ft), where the sensor is placed. Since the distance between the objective and the tube lens is not fixed by the standard, most of the researchers use a convenient distance of a few tens of millimeters. We call this “conventional configuration”. In a T-F study we scan the planes around the focused image formed by the model eye. We also study the defocused images in the neighbor planes. The microscope with conventional configuration produces a magnification that varies depending on the position of the object. To avoid this variation, we propose a microscope with afocal configuration. Such a configuration, which implies that the back focal plane of the objective coincides with the front focal plane of the tube lens, provides the final image with a constant lateral magnification for all object positions at finite frontal distances. An experimental study is conducted in the laboratory to compare these two configurations, but sometimes the comparison is complicated because of defocus. This work aims to develop a computation tool to obtain some extra information in this kind of studies. Our results show that there are relevant differences in the image quality featured by the simulated configurations. The algorithm developed for numerical simulation proves to be very useful particularly when the experimental work becomes complicated. En los estudios de calidad y comportamiento de las lentes intraoculares (LIOs), tanto monofocales como multifocales, es habitual el uso de un banco óptico en el laboratorio que simula un ojo modelo donde se sitúa la LIO. Este ojo modelo produce una imagen aérea que suele ser el objeto de estudio. Para captar esta imagen aérea se utiliza un microscopio que la aumenta y un sensor donde se capta finalmente. Los requisitos que tiene que cumplir el ojo modelo en el banco óptico se encuentran detallados en las normas ISO 11979-2 y 11979-9, sin embargo, el sistema de captación de la imagen aérea que produce este ojo no está completamente detallado en ninguna norma. Habitualmente, el sistema de captación de la imagen está compuesto por un objetivo corregido al infinito junto con una lente de tubo de distancia focal fija y un sensor CCD que capta la imagen final. El objeto observado se sitúa sobre el plano focal objeto del objetivo (FO) de forma que la imagen que se obtiene se forma en el plano focal imagen de la lente de tubo (Ft) que es donde se coloca el sensor. La distancia entre el objetivo y la lente de tubo no está estipulada así que habitualmente están separados unas decenas de mm (configuración convencional). En un estudio “Through-Focus” (T-F) se hace un barrido de los planos alrededor del plano donde el ojo forma la imagen aérea, para estudiar así las imágenes desenfocadas en planos adyacentes. La configuración de microscopio convencional provoca una variación en el aumento en función de la posición del plano que se analiza. Para evitar este cambio de aumento se propone una configuración del microscopio afocal, es decir, hacer coincidir el foco imagen del objetivo con el foco objeto de la lente de tubo, ya que este tipo de microscopios proporcionan aumento constante en todas las posiciones finitas de observación. Se ha realizado una simulación de estas dos configuraciones para poderlas comparar en condiciones que, en el laboratorio, son complicadas de analizar debido al elevado desenfoque de las imágenes. Las simulaciones han mostrado que realmente hay diferencias en la calidad de las imágenes que se obtienen con las dos configuraciones que hemos simulado y por tanto es una herramienta muy útil, ya que permite aportar datos que, experimentalmente, son complicados de conseguir. Als estudis de qualitat i comportament de les lents intraoculars (LIOs), tant monofocals com multifocals, és habitual l’ús d’un banc òptic al laboratori que simula un ull model a on es col·loca la LIO. Aquest ull model produeix un imatge aèria que sol ser l’objecte d’estudi. Per captar aquesta imatge aèria es fa servir un microscopi que l’augmenta i un sensor a on es capta finalment. Els requisits que ha de complir l’ull model al banc òptic es troben detallats a les normes ISO 11979-2 y 11979-9, en canvi, el sistema de captació de la imatge aèria que produeix aquest ull no està completament detallat en cap norma. Habitualment, el sistema de captació de la imatge està format per un objectiu corregit a l’infinit juntament amb una lent de tub de distància focal fixa i un sensor CCD que capta la imatge final. L’objecte observat es situa sobre el pla focal objecte de l’objectiu (FO) de forma que la imatge que s’obté es forma sobre el pla focal imatge de la lent de tub (Ft) que és a on es col·loca el sensor. La distància entre l’objectiu i la lent de tub no està estipulada així que habitualment estan separats unes desenes de mm (configuració convencional). En un estudio “Through-Focus” (T-F) es fa un escombrat dels plans al voltant del pla a on l’ull forma la imatge aèria, per estudiar així les imatges desenfocades en plans adjacents. La configuració de microscopi convencional provoca una variació en l’augment en funció de la posició del pla que s’analitza. Per evitar aquest canvi d’augment es proposa una configuració del microscopi afocal, es a dir, fer coincidir el focus imatge de l’objectiu amb el focus objecte de la lent de tub, ja que aquest tipus de microscopis proporcionen augment constant en totes les posiciones finites d’observació. S’ha realitzat una simulació d’aquestes dues configuracions per poder-les comparar en condicions que, en el laboratori, són complicades d’analitzar degut a l’elevat desenfoc de les imatges. Les simulacions han mostrat que realment hi ha diferències en la qualitat de les imatges que s’obtenen amb les configuracions que hem simulat i per tant és una eina molt útil, ja que permet aportar dades que, experimentalment, són complicades d’aconseguir.

The study and the analysis of optical OFDM systems based on direct detection when applying different PAPR reduction techniques and transforms. [ANGLÈS] Optical orthogonal division multiplexing (OFDM) has recently been introduced in optical communications because of its robustness against channel dispersion and its high spectral efficiency. OFDM is based on the fast Fourier transform (FFT). In this thesis, we study alternative transforms to create the OFDM symbols: the fast Hartley transform (FHT) and the discrete Wavelet packet transform (DWPT). Besides the advantages of using optical OFDM (O-OFDM), there are also some disadvantages that must be taken into account. High peak-to-average power ratio (PAPR) is one of the major drawbacks of OFDM-based systems that can cause intermodulation among the subcarriers due to the nonlinearities of the fiber and devices such as analog-to-digital converters (ADC) and external modulators. Here, PAPR reduction techniques are studied to mitigate the effects of the PAPR. Finally, we demonstrate that applying PAPR reduction techniques to O-OFDM systems using intensity modulation and direct detection (IM/DD) the effects of the clipping noise are mitigated without the need of adding a higher bias to the signal. [CASTELLÀ] La multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM) ha sido introducida en las comunicaciones ópticas debido a su robustez respecto la dispersión del canal y su alta eficiencia espectral. OFDM está basado en la transformada rápida de Fourier (FFT). En esta tesis, se estudian transformadas alternativas para crear los símbolos OFDM: la transformada rápida de Hartley (FHT) y la transformada discreta por paquetes wavelet (DWPT). A pesar de las ventajas de utilizar OFDM óptico (O-OFDM), también existen desventajas que se tienen que tener en cuenta. La aparición de picos de la señal altos (PAPR) es una de las principales desventajas que pueden presentar los sistemas OFDM. Un PAPR alto puede causar intermodulación entre las subportadoras a causa de las no linealidades de la fibra y aparatos como los convertidores de digital a analógico (DAC) o de analógico a digital (ADC) y moduladores externos. También se estudian distintas técnicas de reducción de PAPR para reducir el efecto del PAPR. Finalmente, se demuestra que aplicando técnicas de reducción de PAPR en sistemas OFDM ópticos, los efectos del ruido de clipping quedan reducidos sin ser necesario añadir un bias más alto a la señal. [CATALÀ] La multiplexació ortogonal per divisió de freqüències (OFDM) s'ha introduït a les comunicacions òptiques a causa de la seva robustesa respecte la dispersió del canal i la seva alta eficiència espectral. OFDM està basat en la transformada ràpida de Fourier (FFT). En aquesta tesis, s'estudien transformades alternatives per crear els símbols OFDM: la transformada ràpida de Hartley (FHT) i la transformada discreta per paquets de wavelets (DWPT). Tot i els avantatges d'utilitzar OFDM òptic (O-OFDM), també hi ha desavantatges que s'han de tenir en compte. L'aparició de pics de senyal alts (PAPR) és un dels més grans desavantatges que poden presentar els sistemes OFDM. Un PAPR alt pot causar intermodulació entre les subportadores a causa de les no linealitats de la fibra i aparells com els convertidors de digital a analògic (DAC) o d'analògic a digital (ADC) i moduladors externs. També s'estudien diferents tècniques de reducció de PAPR per reduir l'efecte del PAPR. Finalment, es demostra que aplicant tècniques de reducció de PAPR en sistemes OFDM òptics utilitzant modulació per intensitat i detecció directa (IM/DD), els efectes del soroll de clipping són reduïts sense ser necessari posar un bias més alt al senyal.

English: In this project has been designed and implemented a setup to produce the nonlinear process of the second harmonic generation (SHG) in Bragg reflection waveguides (BRW). Starting with the adjustment of a tunable single frequency laser at 1550 with an external cavity configuration. Two diferent types of SHG have been observed, we measured their spectrum and its shifting caused by temperature variations. Finally, it has also been observed the spatial shape of the Bragg mode guided along the BRW, which is the responsible for reaching the phase-matching condition between all the waves involved in this non-linear process. The results obtained in this project will be used in a future experiments, specially, in the implementation of a monolithic integrated source of entangled photon pairs generated by using the spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process. Castellano: En este proyecto se ha diseñado e implementado un montaje óptico capaz de producir el proceso no lineal de generación del segundo armónico (SHG) en guias de onda por reflexión Bragg (BRW). Se ha puesto a punto un láser de frecuencia única de cavidad externa, sintonizable a longitudes de onda alrededor de los 1550 nm. Se ha conseguido observar dos tipos diferentes de SHG, medir su espectro y ver como se desplaza debido a variaciones de temperatura. Finalmente, también se ha podido observar la forma espacial del modo guiado Bragg, gracias al cual se consigue la necesaria concordancia de fase (Phase-Matching) entre todas las ondas que intervienen en este proceso no lineal. Los resultados obtenidos en este proyecto se utilizarán en futuros experimentos, especialmente, en la implementación de una fuente de pares de fotones entrelazados integrada monolíticamente, basada en el proceso de generación paramétrica espontànea (SPDC). Català: En aquest projecte s'ha dissenyat i implementat un muntatge òptic capaç de produir el procés no lineal de generació del segon harmònic (SHG) en guies d'ona per reflexió Bragg (BRW). S'ha posat en funcionament un làser de freqüència única de cavitat externa, sintonitzable a longituds d'ona al voltant dels 1550 nm. S'ha aconseguit observar dos tipus diferents de SHG, mesurar-ne l'espectre i veure com es desplaça degut a variacions de temperatura. Finalment, també s'ha pogut observar la forma espacial del mode guiat Bragg, gràcies al qual s'aconsegueix la necessària concordança de fase (Phase-Matching) entre totes les ones que intervenen en aquest procés no lineal. Els resultats obtinguts en aquest projecte s'utilitzaran en futurs experiments, especialment, en la implementació d'una font de pars de fotons entrellaçats integrada monolíticament, basada en el procés de generació paramètrica espontània (SPDC).

Projecte final de carrera fet en col.laboració amb Vrije Universiteit Brussel English: The application of non-invasive analytical techniques is an essential part of the ongoing process of restoration and conservation. These techniques can detect a variety of attributes of pieces forming part of the historical and cultural heritage, without altering their physical or chemical properties. This thesis attempts to incorporate optical spectroscopy as a non-destructive technique that can be used to restore the stained windows of churches and cathedrals. Regarding the restoring process, one of the most complex conflicts we encounter is the selection of the sample of replacement. Currently, the restoring part is selected via trial and error. The main goal of this thesis is to develop a new photonic based method that will allow restorers of stained window glasses to select the parts used for restoration in an objective way. Specifically, it tries to find a reliable method that allows us to know precisely the color of the "stained glass windows" by using optical spectroscopy. With the aid of the nowadays commercial avaiable portable optical spectrometers the proposed methology consists of measuring the optical spectrum (reflectance or transmittance) of the part of the window that needs restoration in situ and calculate from this spectrum the color coordinates. These values can then be compared to the color coordinates of a collection of possible repairing glass samples. In this thesis there are two parts . A first part consists of defining the measurement set-up. This includes both the selection of the components and the selection of the measurement geometry. A second part concerns the definition of the final selection procedure. Castellano: La aplicación de técnicas analíticas no invasivas es una parte esencial en el proceso actual de restauración i conservación. Estas técnicas permiten detectar una gran variedad de atributos de piezas que forman parte del patrimonio histórico i cultural, sin alterar sus propiedades físicas o químicas. Esta tesis trata de incorporar la espectroscopia óptica como una técnica no destructiva que puede servir para la restauración de las vidrieras de iglesias i catedrales. En cuanto al proceso de restauración, uno de los conflictos más complejos que encontramos es la selección de la muestra destinada a reemplazar la parte dañada. En la actualidad, la elección de la parte restauradora se realiza a través de ensayo y error. El objectivo principal de esta tesis es desarrollar un nuevo método basado en fotónica que permitirá a los restauradores de los vitrales seleccionar las piezas utilizadas para la restauración de una manera objetiva. Más concretamente, se trata de encontrar un método fiable que nos permita conocer con exactitud el color de las vidrieras mediante el uso de espectroscopia óptica. Con la ayuda de los espectrómetros ópticos portátiles que están disponibles en el mercado hoy en día, la metodología propuesta consiste en realizar una medida in situ del espectro óptico (reflectancia o transmitancia) de la parte de la ventana que necesita restauración y calcular, a partir de este espectro, las coordenadas de color que le corresponden. De esta forma, los valores obtenidos se pueden comparar con las coordenadas de color de una colección de posibles muestras restauradoras. Esta tesis tiene dos partes principales. Una primera parte consiste en definir el sistema de medida. Esto incluye tanto la selección de los componentes que forman el sistema como la selección de la geometría de medida. Una segunda parte se refiere a la definición del procedimiento de selección final. Català: L'aplicació de tècniques analítiques no invasives és una part essencial per al procès actual de restauració i conservació. Aquestes tècniques permeten detectar una gran varietat d'atributs de peces que formen part del patrimoni historic i cultural, sense alterar les seves propietats fisiques o químiques. Aquesta tesis tracta d'incorporar l'espectroscòpia òptica com a tècnica no destructiva que pot servir per a la restauració de les vidrieres d'esglesies i catedrals. Pel que fa al procés de restauració, un dels conflictes més complexes que trobem és la selecció de la mostra destinada a reemplaçar la part malmesa. En l'actualitat, l'elecció de la part restauradora es fa a través d'assaig i error. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar un nou mètode basat en fotònica que permetrà als restauradors dels vitralls seleccionar les peces utilitzades per a la restauració d'una manera objectiva. Més concretament, es tracta de trobar un mètode fiable que ens permeti conèixer amb exactitud el color de les vidrieres mitjançant l'ús d'espectroscòpia òptica. Amb l'ajuda dels espectròmetres òptics portàtils que estan disponibles en el mercat avui en dia, la metodologia proposada consisteix en realizar una mesura in situ de l'espectre òptic (reflectància o transmitància) de la part de la finestra que necessita restauració i calcular a partir d'aquest espectre les coordenades de color que li corresponen. D'aquesta forma, els valors obtinguts es poden comparar amb les coordenades de color d'una col lecció de posibles mostres restauradores . Aquesta tesi té dues parts principals. Una primera part consisteix en definir el sistema de mesura. Això inclou tant la selecció dels components que formen el sistema com la selecció de la geometria de mesura. Una segona part es refereix a la definició del procediment de selecció final.

Català: Estudi de diferents mètodes de dipòsit de tefló i el seu efecte sobre la funcionabilitat final d'un sistema basat en la tecnologia EWOD Castellano: Estudio de diversos métodos de deposición del Teflón y su efecto sobre la funcionalidad final de un sistema basado en la tecnología EWOD English: Study of various methods of deposition of Teflon and its effect on the final functionality of a system based on EWOD technology

A self-mixing laser interferometer has been combined with a compact and robust optical system including an adaptive optical element in the form of a voltage controllable liquid lens. The use of the liquid lens enables the self-mixing interferometer to adjust the optical focus position and the beam spot diameter on the target surface, and subsequently the feedback level within the laser cavity. The optical system has been designed to focus the beam at distances from a few centimetres from the front facet of the laser diode to infinity. With such a simple arrangement, it is possible to modify and control the intensity of the back reflected light from the target surface into the laser cavity, by simply changing the voltage applied to the lens to modify the focus condition on the target surface. The final effect obtained is full active control of the feedback level of the self-mixing effect taking place. This has allowed keeping the feedback level of the interferometer in the desired regime for measurements along very long distances and for different measurement situations, so extending the capabilities of a classical self-mixing interferometer. The advantage of the proposed adaptive optical head is thus its combination of precise metrology capabilities plus a great potential in automated feedback control and operator-free industrial applications. Signal reconstruction of the target vibration amplitude presents a maximum error of λ/16 as compared with a commercial capacitive sensor in the whole focusable range for displacement measurements. An improved working range of 6.5 cm to 280 cm staying in the same feedback regime has been experimentally demonstrated.

Premi extraordinari doctorat curs 2009-2010, àmbit de Ciències The continuous improvements of optical design tools and manufacturing technologies of free-form optical elements, allow the creation of new complex-shaped lenses that improve the performance of traditional optical systems and make possible new optical applications. The quality of fabrication of complex-shaped lenses depends on the possibility of measurement of the shape along the manufacturing process. Moreover, the measurement of the shape of fabricated lenses is a usual quality control process conducted by the manufacturing industry to ensure the quality of commercial lenses. The measurement of complex-shaped optical surfaces has been usually done with mechanical contact stylus, to get higher resolutions within the larger dynamic range required. However, stylus devices have important drawbacks as a slow measurement speed due to make a point by point measurement, and specially the risk of damage of extremely polished surfaces of the lenses due to the drag of the stylus across them. As opposed to those mechanical contact devices of measurement, there are several non destructive optical techniques like interferometry and deflectometry based on the Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses, which are much faster due to make a full-field measurement in a single shot. Despite this advantage, these two techniques have a more limited dynamic range of measurement than stylus devices, which does not allow to measure most complex-shaped lenses. Therefore, solutions to extend the dynamic range of those full-field optical techniques are needed, like changing the conventional Shack-Hartmann’s array of microspheres for an array of more appropriate microlenses and the compensation of the tested lens by means of “inverse” additional optical elements to reduce its complexity. Otherwise, once an optical element has been tested, it is required to finally reconstruct its shape from the discrete data obtained in the measurement. In the lenses’ field, the modal Zernike representation is commonly used to reconstruct the shape. However, to describe complex shapes with steep local changes, zonal representations fit better. Among them, it must be mentioned the B-Spline representation, which is used by the ophthalmic lenses’ manufacturers in the design and modelling of complex progressive surfaces of lenses of this type. The current thesis describes various optical solutions to measure and represent the shape of commercial complex-shaped lenses, particularly applied to progressive addition lenses personalized to the user. The developed solutions are: - It is implemented the B-Spline cubic representation to reconstruct complex wavefronts and get direct information of their local amplitudes, by means of fitting the local wavefront slopes that output from a Shack-Hartmann wavefront sensor. It is compared the fitting quality of B-Spline and circular Zernike representations in a set of simulated wavefronts of different complexity. To quantify the fitting quality in similar conditions as experimentally, two complementary parameters which account for the differences between the reconstructed wavefront and the simulated wavefront with added noise (fitting RMS error) and between the reconstructed wavefront and the simulated wavefront without noise (wavefront RMS error) are used. The fitting quality is analyzed in terms of the degree of Zernike polynomial and in terms of the number of subzones that divides the whole wavefront domain (breakpoints) for the B-Spline representation. - It is developed a Shack-Hartmann wavefront sensor based on a cylindrical microlens array and a proprietary algorithm that processes the line patterns detected, to extend the dynamic range of the conventional Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses. After making a conceptual design of the sensor and evaluating the performance of various configurations in terms of the measurement field, spatial resolution, vertical resolution and dynamic range by means of a proprietary ray trace program, two wavefront sensors are built: a first sensor with an unique array of microcylinders placed in a rotary mount that allows positioning the microcylinders in horizontal and vertical directions, and a second more evolved sensor with two equal arrays of microcylinders placed in horizontal and vertical directions, which reaches the same measurement speed as the Shack-Hartmann sensor of spherical microlenses. The sensor is applied to characterize by transmission a set of three different prescriptions commercial progressive addition lenses with designs customized to wearers that move their eyes, their head, and half the eyes and the head when doing a visual task. From the characterization process, the spatially resolved aberrations, the iso-power maps, the iso-cylinder maps and the cylinders’ axis maps of the lenses are obtained. - It is designed and built an active optics system to compensate the wavefront transmitted by complex-shaped lenses. As the active device to make the wavefront compensation, it is used a commercial phase-only modulator based on a parallel-aligned liquid crystal, which has the advantages of a high spatial resolution and an accurate response in open-loop mode. The response is characterized experimentally. As opposed to the abovementioned advantages, the phase modulator has the lack of decreasing its diffraction efficiency as increases the amplitude of the modulated phase. This means that non phase-modulated light, which corresponds to the zero order of diffraction that outputs from the modulator, is superimposed to phase-modulated light of interest. To solve this problem, a pinhole spatial filter that blocks the zero order diffraction light is implemented in the system. The active optics system is proposed as a dynamic null-test to make the quality control of complex-shaped lenses with a reduced cost in time and money over the traditional static null-tests. As a demonstration of the application, an active null-test of a commercial progressive addition lens personalized to the user with distance null power and two dioptres of addition is successfully made. Las continuas mejoras en las herramientas de diseño óptico y en las tecnologías de fabricación de formas arbitrarias (free-form) de elementos ópticos, permiten el desarrollo de nuevas lentes de formas más complejas, posibilitando nuevas aplicaciones ópticas y mejorando las prestaciones de los sistemas ópticos clásicos. Para la fabricación precisa de lentes de formas complejas es determinante la posibilidad de medida de su forma. Asimismo, la medida final de la forma de lentes fabricadas es un proceso habitual de control de calidad llevado a cabo por la industria fabricante, para garantizar la calidad de las lentes comerciales desarrolladas. La medida de superficies ópticas con formas complejas se ha llevado a cabo, tradicionalmente, con instrumentos de medida por contacto mecánico (stylus), para garantizar buenas resoluciones de medida y abarcar el gran rango dinámico normalmente necesario. No obstante, estos sistemas presentan importantes inconvenientes como la lentitud por ser una medida punto a punto, y especialmente el riesgo de dañado de las superficies extremadamente pulidas de las lentes a causa del contacto y arrastre del stylus. Frente a estos sistemas metrológicos con contacto mecánico, diferentes técnicas no destructivas de tipo óptico como las interferométricas y el sensor Shack-Hartmann clásico de microlentes esféricas, más rápidas al medir la superficie en su conjunto, se han mostrado como buenas alternativas. Aún así, estos dos métodos tienen unos rangos dinámicos de medida más limitados que los de los stylus, lo que típicamente los incapacita para medir lentes de formas complejas. Se hace por tanto necesario desarrollar soluciones para extender el rango dinámico de medida de estas técnicas ópticas de campo completo (full-field), como pueden ser la modificación del sensor Shack-Hartmann convencional de microlentes esféricas por otros tipos de microlentes más apropiados y la compensación previa de la lente a medir mediante la utilización de elementos ópticos “inversos” a ella para reducir su complejidad. Por otra parte, una vez medido un determinado elemento óptico, resulta necesario reconstruir su forma a partir de las medidas discretas obtenidas. En el ámbito de las lentes, la representación modal de polinomios circulares de Zernike es la más utilizada para reconstruir la forma medida. Sin embargo, a la hora de describir formas complejas con cambios locales importantes o formas arbitrarias, las representaciones de tipo zonal resultan más efectivas. Entre ellas, cabe destacar la representación zonal de B-Splines, que es la empleada por la industria oftálmica en el diseño y modelización de las superficies progresivas complejas de lentes de este tipo. La presente tesis describe diversas soluciones ópticas de medida y representación de las características ópticas de lentes comerciales de formas complejas, con particular aplicación a lentes oftálmicas de adición progresiva personalizadas al usuario. Las soluciones desarrolladas son las siguientes: - Se implementa la representación de B-Splines cúbicos para reconstruir frentes de onda complejos y extraer informaciones locales de amplitud, mediante ajuste de las pendientes locales medibles por un sensor de frente de onda de tipo Shack-Hartmann. Se realiza un estudio comparativo de la calidad de la anterior representación y de la representación de Zernike para ajustar diferentes frentes de onda simulados de distinta complejidad, empleándose dos parámetros complementarios para cuantificar la calidad de ajuste, que son el error del frente de onda reconstruido respecto al frente de onda simulado con ruido (error RMS ajuste) y el error del frente de onda reconstruido respecto al frente de onda simulado sin ruido (error RMS frente), de manera que se extraigan conclusiones de la calidad de ajuste en condiciones similares a las experimentales. La calidad de los ajustes se analiza en función del grado del polinomio de Zernike y del número de subzonas de división del dominio del frente de onda (breakpoints) para la representación cúbica de B-Spline. - Se desarrolla un sensor de frente de onda de tipo Shack-Hartmann basado en matrices de microlentes cilíndricas que, junto con un algoritmo de procesado de los patrones de líneas detectados que también se desarrolla, extiende el rango dinámico clásico del sensor Shack-Hartmann equivalente de microlentes esféricas. Una vez realizado el diseño conceptual del sensor y evaluadas las prestaciones metrológicas (campo de medida, resolución espacial, resolución vertical y rango dinámico) de diversas configuraciones del mismo mediante un programa propio de trazado de rayos, se construyen dos sensores: un primer sensor con una única matriz de microcilindros montada sobre un soporte rotador que permite orientar los microcilindros en las direcciones horizontal y vertical, y un segundo sensor más evolucionado con dos matrices de microcilindros horizontales y verticales, que equipara la velocidad de medida con la del sensor Shack-Hartmann convencional de microlentes esféricas. Se aplica el sensor a la caracterización por transmisión de un conjunto de lentes comerciales de adición progresiva personalizadas para personas movedoras de ojos, movedoras de cabeza y movedoras de ojos y cabeza a partes iguales, de tres prescripciones diferentes: OD 0 Ad.2, OD -1 +1 0º Ad.2, y OD -1 +1 135º Ad.2, obteniéndose las aberraciones espacialmente resueltas de las lentes, así como también sus mapas de iso-potencia, de iso-cilindro y de orientación del cilindro. - Se diseña y construye un sistema óptico de compensación activa del frente de onda transmitido por lentes con formas complejas. Como elemento activo de compensación se utiliza un modulador de fase comercial basado en un cristal líquido de moléculas paralelas, que proporciona una modulación pura de la fase (sin modulación de intensidad), una elevada resolución espacial y una respuesta de gran calidad en bucle abierto. La caracterización de dicha respuesta se realiza experimentalmente. En contrapartida a las anteriores ventajas citadas, el modulador presenta un punto débil debido a su naturaleza difractiva, apreciable en forma de un decremento en la eficiencia de difracción para altas amplitudes de modulación de fase, que se traduce en luz parásita no modulada en fase correspondiente al orden cero de difracción que se superpone a la luz modulada en fase de interés. Como solución a este problema se implementa en el sistema un filtro espacial de tipo pinhole que bloquea la luz indeseada de orden cero. El sistema de compensación activa desarrollado se propone como null-test dinámico para el control de calidad de lentes complejas, de manera que suponga una reducción de costes económicos y en tiempo respecto a las convencionales soluciones null-test estáticas. Como demostración del mismo, se lleva a cabo el null-test activo una lente comercial progresiva personalizada con potencia nula de lejos y dos dioptrías de adición. Award-winning

The Moon is an excellent place to make astronomical observations and, furthermore, a great platform to study and gain a better understanding of our own planet and the Universe. However a thin layer of dust covers the lunar surface. It consists of electrostatically charged grains of less than 20 m in diameter. Due to their tiny size, charge and low gravity, they remain suspended from 10 cm to high altitudes (100 km), and would eventually deposit onto solar panels and optical elements causing the degradation of their performance. To overcome this problematics, some studies have proposed the use of a quasi- transparent electromagnetic shield to facilitate the cleaning of the electrostatically charged dust from surfaces, therefore preventing its accumulation, optimizing their efficiency and extending the lifetime of the instruments. These are the so- called Electrodynamic Screens (EDS) and consist of a series of parallel electrodes equally spaced and connected to an alternating current source that generates an electromagnetic wave, in movement, thus repelling the particles. The aim of this project is to find the best configuration of the EDS (width of the electrodes, distance between them and so on) particles in order to achieve the maximum efficiency in removing dust. For this, the results of experiments conducted to date on the Cleaning Factor (CF) or Dust Removal Efficiency (DRE) will be analyzed to determine which parameters and to what extent they affect the efficiency of dust removal in a EDS. In addition to this, the best location on the lunar surface for solar panels and telescopes according to illumination conditions and minimization of dust effects will be evaluated.

Disseny i control d'una cavitat òptica d'alta finesa per l'atropament i "cooling" d'objectes [ANGLÈS] In this project you will find a proposal of design and its implementation of a high-finesse cavity and its real-time electronic control in order to have an starting point for developing a cavity for trapping and cooling a living organism. [CASTELLÀ] En este proyecto se presenta una propuesta de disseño y su implementación de una cavidad láser de alta "finesse" y su control electrónico en tiempo real para tener un punto de partida para una cavidad donde se quiere conseguir la superposición quántica de un organismo vivo. [CATALÀ] En aquest projecte es presenta una proposta de disseny i la seva implementació d'una cavitat làser d'alta finesse i el seu control electrònic a temps real per tenir un punt de partida per una cavitat on es vol aconseguir la superposició quàntica d'organismes vius.

Accurate knowledge of information data capacity between a spacecraft and optical ground stations is of utmost importance for assessing the feasibility of laser downlinks in future high bandwidth communication systems from space. For the additional cost and complexity of the downlink systems, there is a growing interest for the sensitivity and spectral efficiency potential of coherent optical receivers. But in practice, as the link includes part of the atmosphere, the potential of coherent receivers is seriously affected by phase distortions and fading to the link induced by clear-air turbulence. Conveniently, coherent channel-matched array receivers consisting of multiple subapertures can reduce signal fading. Also, wavefront distortions can be mitigated in principle with adaptive optics. Here we provide a comprehensive, unified analysis of these two fundamental techniques used in atmospheric downlink coherent system. Our results demonstrate how array technologies, as an alternative to adaptive optics, are expected to expand capacity of laser downlinks by tracking and correcting atmospherically distorted signals.

An optical fiber recirculating loop is a device used to experiment and study long haul transmissions for optical fiber communication applications. It simulates long distance communications by making the signal circulate through a loop containing one or multiple spans of optical fiber a certain number of times, saving the expensive cost of the equipment needed to reach thousands of kilometers. This bachelor thesis aims to optimize the 10G optical recirculating loop test bed placed in the Network Laboratory of ETS University. This loop contains approximately 160 km of optical fiber, two dispersion compensator modules (DCM) and four EDFA amplifiers. The signal under test is a 10G (OC-192) NRZ in a DWDM 50 GHz channel span. Test bed is characterized and various configurations are studied to optimize its performance. Different software is developed in order to control the loop and obtain results of the quality of transmission of the signal after it. Finally, different experiments are performed and results are provided to demonstrate the operation. Un loop recirculador de fibra óptica es un dispositivo utilizado para estudiar comunicaciones por fibra óptica a larga distancia. Este dispositivo simula estas transmisiones haciendo circular el señal dentro un loop cerrado que contiene uno o diversos spans de fibra óptica un numero determinado de veces. Con este dispositivo se ahorra el coste del equipamiento necesario para un sistema convencional. Este proyecto pretende optimizar el banco de pruebas 10G recirulating loop situado en el "Network Laboratory" de la universidad ETS de Montreal. Este loop recirculador contiene aproximadamente 160 km de fibra óptica, dos modulos compensadores de la dispersión (DCM) i cuatro amplificadores EDFA. El señal estudiado es un OC-192 con modulación OOK NRZ multiplexado en DWDM con una separación entre canales de 50 GHz. El banco de pruebas es caracterizado y distintas configuraciones son estudiadas para optimizar su rendimiento. Diferentes herramientas de software son programadas para controlar el loop y obtener resultados de la calidad del señal. Finalmente, los resultados de los experimentos son expuestos para demostrar el funcionamiento. Un loop recirculador de fibra òptica és un dispositiu utilitzat per estudiar comunicacions per fibra òptica a llarga distància. Aquest dispositiu simula aquestes comunicacions fent circular el senyal dins un loop tancat que conte un o diversos spans de fibra òptica un cert nombre de vegades. Estalviant el cost en equipament que suposa un sistema convencional. Aquest projecte pretén optimitzar el banc de test 10G recirulating loop situat al "Network Laboratory" de la universitat ETS de Montreal. Aquest loop recirculador conté aproximadament 160 km de fibra òptica, dos mòduls compensadors de la dispersió (DCM) i quatre amplificadors EDFA. El senyal estudiat és OC-192 amb modulació OOK NRZ multiplexat en DWDM amb una separació entre canals de 50 GHz. El banc de proves és caracteritzat i diferents configuracions són estudiades per optimitzar el seu rendiment. Diverses eines de software per controlar el loop i obtenir resultats de la qualitat de transmissió del senyal són desenvolupades durant el projecte. Finalment els resultats de diferents experiments són exposats per demostrar el funcionament.