Padrões de speckles são distribuições de intensidade de luz, formados a partir da interação entre uma fonte de luz coerente e uma superfície (ou meio) irregular, que resulta em uma distribuição de vetores de onda com fases aleatórias. Desta forma, como a aleatoriedade tem um papel relevante na formação de padrões de speckles, sua caracterização, bem como a análise de diversos fenômenos ópticos excitados a partir deles, são estudados fazendo uso de ferramentas de análises estatísticas. Entre as ferramentas mais importantes, as funções de correlação de intensidade e a distribuição de probabilidade de intensidade fornecem informações indiretas sobre a coerência da fonte de excitação, o grau de espalhamento (ou aleatoriedade) do meio rugoso, além das propriedades ópticas do meio onde a radiação se propaga. Nesta dissertação são estudadas as mudanças que a estatística dos padrões de speckles sofrem quando se propagam em meios não lineares autodesfocalizadores, com a influência de diversos processos de absorção não linear. Para isto, foi utilizado o corante LDS722 diluído em etanol, como meio não linear, que, ao ser excitado com diferentes intensidades, apresenta os efeitos de absorção saturada de 1 fóton; absorção de 2 fótons; e absorção saturada de 2 fótons. Esses diferentes efeitos foram caracterizados através da técnica de Varredura Z. Para que a propagação não linear dos padrões de speckles seja submetido a influência de um (ou mais de um) efeito dissipativo (simultâneamente) foram gerados três padrões diferentes, com envoltórias de intensidade: (i) Gaussiano, (ii) super-Gaussiano e (iii) top-hat. Desta forma, observou-se que durante a propagação, se o padrão de speckles é afetado apenas por um único processo de absorção não linear, com envoltória de intensidade top-hat, suas propriedades estatísticas apresentam comportamentos diferentes aos padrões afetados por mais de um efeito de absorção não linear em simultâneo, com envoltórias de intensidade Gaussiano e super-Gaussiano. Os estudos realizados nesta dissertação apresentam, pela primeira vez na literatura, resultados sobre a influência dos diversos efeitos de absorção não linear sobre a propagação de padrões de speckles. Além disso, ao monitorar as mudanças nas propriedades estatísticas que os padrões de speckles sofrem ao longo da sua propagação, foi possível propor uma nova metodologia para analisar o efeito de autodeflexão induzido pela modulação do índice de refração não linear. Desta forma propomos o uso de padrões de speckles para a caracterização da resposta óptica não linear de diversos materiais.
Padrões de speckles são distribuições de intensidade de luz, formados a partir da interação entre uma fonte de luz coerente e uma superfície (ou meio) irregular, que resulta em uma distribuição de vetores de onda com fases aleatórias. Desta forma, como a aleatoriedade tem um papel relevante na formação de padrões de speckles, sua caracterização, bem como a análise de diversos fenômenos ópticos excitados a partir deles, são estudados fazendo uso de ferramentas de análises estatísticas. Entre as ferramentas mais importantes, as funções de correlação de intensidade e a distribuição de probabilidade de intensidade fornecem informações indiretas sobre a coerência da fonte de excitação, o grau de espalhamento (ou aleatoriedade) do meio rugoso, além das propriedades ópticas do meio onde a radiação se propaga. Nesta dissertação são estudadas as mudanças que a estatística dos padrões de speckles sofrem quando se propagam em meios não lineares autodesfocalizadores, com a influência de diversos processos de absorção não linear. Para isto, foi utilizado o corante LDS722 diluído em etanol, como meio não linear, que, ao ser excitado com diferentes intensidades, apresenta os efeitos de absorção saturada de 1 fóton; absorção de 2 fótons; e absorção saturada de 2 fótons. Esses diferentes efeitos foram caracterizados através da técnica de Varredura Z. Para que a propagação não linear dos padrões de speckles seja submetido a influência de um (ou mais de um) efeito dissipativo (simultâneamente) foram gerados três padrões diferentes, com envoltórias de intensidade: (i) Gaussiano, (ii) super-Gaussiano e (iii) top-hat. Desta forma, observou-se que durante a propagação, se o padrão de speckles é afetado apenas por um único processo de absorção não linear, com envoltória de intensidade top-hat, suas propriedades estatísticas apresentam comportamentos diferentes aos padrões afetados por mais de um efeito de absorção não linear em simultâneo, com envoltórias de intensidade Gaussiano e super-Gaussiano. Os estudos realizados nesta dissertação apresentam, pela primeira vez na literatura, resultados sobre a influência dos diversos efeitos de absorção não linear sobre a propagação de padrões de speckles. Além disso, ao monitorar as mudanças nas propriedades estatísticas que os padrões de speckles sofrem ao longo da sua propagação, foi possível propor uma nova metodologia para analisar o efeito de autodeflexão induzido pela modulação do índice de refração não linear. Desta forma propomos o uso de padrões de speckles para a caracterização da resposta óptica não linear de diversos materiais.
Neste trabalho investigamos algumas características espectrais e temporais tanto dos fei- xes transmitidos como dos sinais gerados em um processo de mistura de quatro ondas. Usando um vapor de átomos de rubídio como meio não linear, estudamos tais características sob duas condições: (i) quando os feixes de luz incidentes na amostra são produzidos por dois lasers independentes e (ii) quando os feixes incidentes são produzidos por um único laser. Quando dois lasers independentes são utilizados, a frequência de um dos feixes incidentes é mantida fixa, e os espectros são obtidos em função da frequência do outro feixe. Detectamos simultâ- neamente, para diferentes intensidades dos campos incidentes, os espectros de transmissão e dos sinais de mistura de quatro ondas (MQO) gerados para frente. Os espectros de transmis- são apresentam picos que coincidem com as frequências das transições hiperfinas da linha D2 correspondentes ao estado Fg = 3 do 85Rb. Devido ao efeito Doppler, o ordenamento destes picos depende de que laser tem sua frequência variando. Por outro lado, os espectros dos si- nais de mistura de quatro ondas apresentam um único pico fino, próximo da transição cíclica, mas que ocorre com uma pequena separação em frequência entre eles. Um modelo teórico, desenvolvido a partir das equações óticas de Bloch para um sistema de três níveis, nos permite interpretar o deslocamento em frequência observado no sinal não linear como um efeito do comportamento anômalo do índice de refração do meio devido à interação com dois campos intensos. Na outra condição temos um único laser, de forma que os dois feixes incidentes têm sempre a mesma frequência. Neste caso analisamos um processo de mistura de quantro ondas degenerada para frente. O laser de diodo cw apresenta flutuações de amplitude e de fase. Es- tas últimas são transformadas em flutuações de intensidade mediante o processo de interação com o meio atômico. Mantendo a frequência do laser fixa, registramos simultaneamente as flutuações de intensidade como função do tempo dos sinais de transmissão e de misturas de quatro ondas. A partir destas séries temporais, obtivemos as correlações entre os dois sinais de transmissão e entre os dois sinais de mistura para diferentes condições de polarização, in- tensidade dos feixes incidentes e temperatura do vapor. Obtivemos valores de correlação entre os sinais de transmissão em τ = 0 de 0.87, e entre os sinas de mistura de quatro ondas de até 0.94. Nossos resultados indicam uma diminuição da largura do pico de correlação com o au- mento da intensidade dos feixes incidentes, e a presença de uma oscilação na correlação, cuja frequência tende a aumentar com a intensidade. Para analisar estes resultados experimentais desenvolvemos um modelo teórico baseado no formalismo de matriz densidade, considerando um sistema de dois níveis interagindo com campos eletromagnéticos com uma fase estocástica definida por um processo de Ornstein-Uhlenbeck. Assim obtivemos um sistema de equações diferenciais estocásticas, que resolvemos numericamente aplicando as regras do cálculo de Itô. A partir da coerência σ21 integrada em velocidades podemos obter a série temporal e comparar as correlações com os resultados experimentais. Este modelo teórico nos permite investigar o efeito da distribuição de velocidades na correlação, assim como a existencia de uma relação entre a frequência de oscilação nas curvas de correlação e as frequências de Rabi do sistema.
Quando incide-se uma radiação em um vapor atômico, esta pode sofrer processos de\nabsorção e de emissão várias vezes antes que os fótons saiam do volume da célula que\ncontém o vapor. Em consequência destes diversos espalhamentos, que ocorrem no interior\nda célula, o prol espectral da radiação incidente sofre uma evolução, o qual é regido\npelos mecanismos de redistribuição em frequências. Existem dois tipos de redistribuição\nem frequências, a Redistribuição Parcial em Frequências (PFR) e a Redistribuição Completa\nem Frequências (CFR). Quando existe correlação entre a frequência de emissão e\nda absorção, dizemos que ocorreu uma PFR. Caso contrário, quando não há quaisquer\ncorrelação entre as frequências absorvidas e emitidas, dizemos que ocorreu CFR. Esta\nredistribuição em frequências tem sua origem na inomogeneidade dos perfis espectrais da\nradiação incidente e da resposta do vapor ressonante. Pode-se destacar, também, que\nesta inomogeneidade determina a distribuição dos comprimentos de passos dos fótons no\nvapor atômico. Os fótons que propagam-se neste meio atômico executam um passeio\naleatório entre sucessivos processos de absorção e emissão, cujo comprimentos dos passos\nr é descrito por uma distribuição de probabilidade de dita "cauda longa". Contudo, o\ncomportamento superdifusivo destes fótons é caracterizado por um comprimento de passo\núnico, decaindo assintoticamente como uma lei de potência P(r) r com < 3. Neste\ntrabalho estamos estudando, de uma parte, a redistribuição em frequências em duas etapas,\nsendo a primeira para diversas dessintonizações da radiação em relação ao centro de\nabsorção, mantendo-se fixa a densidade do vapor e, em uma segunda etapa, deixamos fixa a\ndessintonização da radiação, variando-se a densidade atômica. Em nosso modelo numérico estudamos átomos de rubídio, considerando sua estrutura eletrônica oticamente ativa com\napenas dois níveis de energia e excitado na frequência de sua linha D2. Para a segunda\nparte deste trabalho analisamos, de forma numérica, o expoente da lei de potência para\na distribuição de probabilidade dos comprimentos de passos individuais dos fótons em\num vapor atômico para espectros de absorção e emissão modificados. Para a última parte\ndeste trabalho, desenvolveu-se um modelo experimental para analisar a redistribuição em\nfrequências, onde os fótons emitidos que saem do volume da célula são coletados em certo\nvolume sólido por uma lente de alguns centímetros, direcionados através de uma fibra para\nanálise por um Fabry-Pérot. Além disso, foi desenvolvido uma técnica experimental para\ngerar a distribuição de probabilidade de passos dos fótons onde modificamos os espectros\nda radiação incidente ou de absorção. No caso da radiação incidente, esta é guiada por\numa fibra para uma segunda célula, onde uma câmera CCD, de sensibilidade elevada,\npermite medir o comprimento de passos individuais dos fótons.
[pt] O bunching de fótons é um dos mais celebrados efeitos de interferência de dois fóotons, associado à tendéncia de fótons indistinguíveis de tomarem o mesmo caminho quando há uma superposição dos pacotes de onda em um combinador de feixes óptico simétrico. Nós exploramos o fenômeno de interferência de dois fótons e mostramos que: a característica espectral de uma fonte de luz pode ser determinar através da técnica de Espectroscopia de Transformada de Fourier de Poucos Fótons de alta resolução que se mostra como uma técnica útil para a caracterização espectral de fontes ópticas débeis abaixo do limite coberto por técnicas clássicas de batimento heteródino; uma fonte de fótons com estatística sub-Poisson, a Fonte de Fótons Anunciadas com Óptica Linear, pode ser construída baseada apenas em óptica linear e estados coerentes atenuados uma vez que os anúncios sejam sintonizados nos picos de coincidência de um interferograma de Hong-Ou-Mandei quando o interferômetro é alimentado com estados em frequências diferentes; uma modificação do interferômetro de Hong-Ou-Mandel produz um aumento no número de coincidências, ao invés de sua diminuição, quando os pacotes de onda estão perfeitamente superpostos no interferômetro e o anúncio de fótons sintonizados nesse pico gera um feixe com distribuição sub-Poisson. A descrição matemática de cada experimento é detalhada e uma revisão extensa das ferramentas teóricas e práticas necessárias para o entendimento dos resultados é apresentada.
A emissão de luz tipo laser a partir de meios altamente espalhadores com ganho\ncom realimentação incoerente é a abordagem desta tese. Estes meios são altamente\ndesordenados e divergem do conceito tradicional do laser convencional, pois eles podem\nemitir luz muito intensa e monocromática sem a necessidade de uma cavidade.\nAo longo dessa tese, detalhamos diversos estudos experimentais onde temos usado\ndiversos corantes lasers da família das rodaminas em solução, às soluções temos\nadicionado nanopartículas de TiO2, tais nanopartículas realizam o papel de meio\nespalhador. O regime de espalhamento nesse sistema é difusivo pelo que a probabilidade\ndo fóton confinado retornar ao ponto inicial de incidência é pouco provável, por tanto\nqualquer efeito de interferência das ondas associadas aos fótons podem ser\nnegligenciadas.\nNo capítulo 1 é feita uma apresentação rápida dos conceitos fundamentais sobre\nlasers e detalhando a física dos lasers de corante, logo falamos sobre o processo de\nespalhamento múltiplo de fótons.\nIniciamos o capítulo 2 fazendo uma revisão histórica do laser aleatório com\nrealimentação incoerente e discutimos alguns mecanismos que podem estar envolvidos no\nprocesso de geração de luz com características laser.\nNo capítulo 4 apresentamos resultados de um estudo meticuloso sobre o limiar em\nlasers aleatórios considerando a influência tanto da densidade de espalhadores como da\nconcentração de corante O capítulo 5 é dedicado ao estudo da influencia da agregação molecular e da\nemissão bicromática nas propriedades da emissão de um laser aleatório quando a\nconcentração do meio de ganho é relativamente alta.\nNo capítulo 6 apresentamos um novo método baseado na emissão de sistemas\nlaser aleatório para determinar a energia de ligação entre moléculas individuais que se\njuntaram para formar agregados. Essa agregação sempre acontece entre as de moléculas\nde corante em solução, formando assim dímeros, trímeros, etc. Em primeira aproximação\npodemos falar de dimerização que é a formação de unicamente dímeros no processo\nglobal da agregação. Para descrever teoricamente essa nova técnica, utilizamos um\nmodelo excitônico baseado na teoria quântica que explica como devido á dimerização a\nbanda de absorção do monômero se desdobra em duas novas bandas: uma a altas energias\n(banda H) e outra a baixas energias (banda J). Os nossos resultados concordam muito bem\ncom aqueles obtidos através de técnicas de absorção que são um tanto mais complicadas\nde se realizar experimentalmente. Usando nossa técnica determinamos a energia de\nligação entre dímeros formados em diversos tipos de corantes da família das rodaminas.\nFinalmente, no capítulo 7 mostramos que possível se obter um laser aleatório com\nalta eficiência a partir de soluções aquosas contendo rodamina 6G. Nós adicionamos\nDodecil Sulfato de Sódio (SDS, sigla em inglês), um surfactante aniônico, a uma solução de\nrodamina 6G (catiônica). Ambos os componentes foram preparados em diferentes\nconcentrações. A ação do SDS sobre a rodamina 6G é inibir a agregação molecular e\nreorientar as moléculas agregadas remanescentes na solução a fim de formar agregados\nfluorescentes. Mostramos também que a eficiência deste tipo de sistemas atinge seu\nmáximo para concentrações pouco acima da concentração micelar critica do SDS.
A pesquisa em comunicação óptica por meio de links atmosféricos enfrenta uma série de desafios na busca por uma implementação confiável. A luz clássica coerente, como um feixe de laser propagando-se pela atmosfera por exemplo, sofre um impacto significativo na qualidade do sinal devido à turbulência atmosférica. Embora existam várias técnicas de comunicação para mitigar o desvanecimento do sinal na luz clássica, qualquer uma dessas técnicas não elimina completamente os efeitos indesejados. Assim, vale a pena desenvolver novas maneiras para suavizar ainda mais as perturbações induzidas pela turbulência. Neste trabalho, estudamos um arranjo experimental para mitigar as flutuações de sinal induzidas pela turbulência, ou seja, o desvanecimento do sinal, em feixes de fótons emaranhados, o que nos leva a uma comunicação mais estável. Estados quânticos de fótons gêmeos, espontaneamente produzidos por conversão paramétrica, foram usados para demonstrar experimentalmente que uma inversão das coordenadas transversais do feixe de correlação é suficiente para eliminar parcialmente as perdas de sinal causadas pelo fluxo turbulento de ar. Além disso, mostramos que não apenas uma inversão de coordenadas mitiga os efeitos de turbulência, mas também elimina completamente a aberração da inclinação da frente de onda. Nossa avaliação revela que a comunicação óptica através de canais atmosféricos pode se beneficiar do uso de estados quânticos para luz.
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