The ballast pick-up problem. A theoretical approach and two experimental campaigns

The aim of this contribution is to present a theoretical approach and two experimental campaigns (on wind tunnel and on the track) concerning the research work about the ballast train-induced-wind erosion (BTIWE) phenomenon. When a high speed train overpasses the critical speed, it produces a wind speed close to the track large enough to start the motion of the ballast elements, eventually leading to the rolling of the stones (Kwon and Park, 2006) and, if these stones get enough energy, they can jump and then initiate a saltation-like chain reaction, as found in the saltation processes of soil eolian erosion (Bagnold, 1941). The expelled stones can reach a height which is larger than the lowest parts of the train, striking them (and the track surroundings) producing considerable damage that should be avoided. There is not much published work about this phenomenon, in spite of the great interest that exists due to its relevant applications in increasing the maximum operative train speed. Particularly, the initiation of flight of ballast due to the pass of a high speed train has been studied by Kwon and Park (2006) by performing field and wind tunnel experiments.

Gust wind tunnel study on ballast pick-up by high-speed trains

This paper describes the experimental setup, procedure, and results obtained, concerning the dynamics of a body lying on a floor, attached to a hinge, and exposed to an unsteady flow, which is a model of the initiation of rotational motion of ballast stones due to the wind generated by the passing of a high-speed train. The idea is to obtain experimental data to support the theoretical model developed in Sanz-Andres and Navarro-Medina (J Wind Eng Ind Aerodyn 98, 772–783, (2010), aimed at analyzing the initial phase of the ballast train-induced-wind erosion (BATIWE) phenomenon. The experimental setup is based on an open circuit, closed test section, low-speed wind tunnel, with a new sinusoidal gust generator mechanism concept, designed and built at the IDR/UPM. The tunnel’s main characteristic is the ability to generate a flow with a uniform velocity profile and sinusoidal time fluctuation of the speed. Experimental results and theoretical model predictions are in good agreement.

Regulación del movimiento y anticipación en el resto del primer servicio en tenis

Aunque se han logrado importantes avances en estudios de laboratorio con diseños experimentales poco representativos (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), a día de hoy, todavía se desconoce a cabalidad cómo los jugadores de tenis de diferente nivel de pericia calibran o ajustan sus movimientos a las demandas espacio-temporales presentes en la tarea de resto de un primer servicio. ! Escasos trabajos se han llevado a cabo in situ y a la mayoría se les puede cuestionar algún aspecto de la metodología empleada. Así pues, en varios estudios la frecuencia de grabación ha sido limitada (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), o la velocidad del saque ha sido visiblemente inferior a la habitual (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). También, en algunos estudios los participantes experimentados no han sido jugadores de nivel internacional (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), y el tamaño muestral ha sido muy pequeño (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). ! Además, en los diferentes trabajos se han utilizado una diversidad de métodos e instrumentos de medida y los criterios de codificación del inicio de los movimientos y de las respuestas han diferido; como consecuencia el lapso visomotor de respuesta (LVMr) ha sido muy dispar variando considerablemente de 198 a 410 ms. Considerando los inconvenientes señalados anteriormente, el presente estudio tuvo como objetivo determinar un modelo técnico de regulación temporal de los movimientos y de la respuesta del restador, tomando en cuenta el flujo continuo de información proporcionado por el sacador. Para ello, se realizó un análisis cronométrico de los restos de doce jugadores de diferente nivel deportivo (seis internacionales y seis nacionales) que respondieron de forma natural enviando sus devoluciones hacia las dianas. Se grabaron las acciones de los restadores y sacadores con una cámara Casio Exilim Pro Ex-F1 de alta velocidad (300 Hz) y luego se realizó un análisis imagen por imagen cada 3.33 ms. Una vez obtenidos los datos de los vídeos se realizaron análisis con las pruebas de ANOVA de un factor, ANCOVA con la velocidad del saque como covariable, U de Mann-Whitney y Chi-cuadrado de Pearson. En cuanto a la regulación del movimiento hasta el momento del despegue, los jugadores internacionales iniciaron sus acciones antes que los jugadores nacionales lo que podría indicar una mejor preparación al ejecutar los movimientos como reflejo del nivel de pericia. Los jugadores internacionales iniciaron la elevación del pie posterior a -293 ms y los jugadores nacionales a -202 ms. Todas estas acciones se fueron enlazando unas con otras y fue en el momento del impacto del sacador donde los restadores demostraron una remarcable coordinación perceptivo-motriz. Por consiguiente, los jugadores internacionales despegaron e iniciaron el vuelo a tan solo -6.5 ms del impacto y los jugadores nacionales lo hicieron más tarde a +19.5 ms. A lo largo de la secuencia temporal, todo parece indicar que las informaciones que utilizan los restadores interactúan entre sí; información más temprana y menos fiable para anticipar o moverse antes e información más tardía y más fiable para regular la temporalización de las acciones. Los restadores de nivel internacional y nacional anticiparon a nivel espacial en un bajo porcentaje (7.7% vs. 13.6%) y en tiempos similares (-127 vs. -118 ms) sugiriendo que la utilización de variables ópticas tempranas y menos fiables solo se produce en contadas ocasiones. Por otra parte, estos datos se relacionan con una gran precisión en la respuesta ya que tanto los jugadores internacionales como los nacionales demostraron un alto porcentaje de acierto al responder (95.4% vs. 96.7%). Se había señalado que los jugadores internacionales y nacionales se diferenciarían en el tiempo de caída (i.e., aterrizaje) del primer pie del salto preparatorio, sin embargo ese efecto no fue encontrado (128 vs. 135 ms). Tampoco se hallaron diferencias en el porcentaje de caída con el pie contrario a la dirección de la pelota (58% vs. 62%). Donde sí ambos grupos se diferenciaron fue en el tiempo de caída del segundo pie (147 vs. 168 ms). Esta diferencia de 21 ms fue crucial y fue una prueba de la mayor rapidez de los jugadores internacionales; sugiriendo que ésta acción se podría relacionar con el momento del inicio de la respuesta. Aunque los jugadores internacionales hayan demostrado ser más rápidos en relación con sus capacidades funcionales, ambos grupos no se diferenciaron en todas las variables relacionadas con el LVMr. Ellos no utilizaron esos valiosos milisegundos ganados en el instante de la caída del segundo pie para responder más pronto, ya que el LVMr del miembro superior fue el mismo para ambos grupos (179 vs. 174 ms). Es como si hubiesen tenido todo el tiempo del mundo para seguir ajustando sus acciones hasta el propio golpeo. Además, estos tiempos largos sugieren que en la gran mayoría de los restos la información clave que determinó la respuesta fue detectada (extraída) en momentos cercanos al golpeo del sacador y en la primera parte del vuelo de la pelota. Asimismo, se constató que en general el LVMr se ve influenciado por el tipo de información utilizada. De esta manera, cuando se tomaron en cuenta los ensayos en los que hubo anticipación espacial reflejados en el LVMr del cuerpo entero los tiempos disminuyeron (152 vs. 136 ms). Por otra parte, existieron ocasiones (13%) en los que tanto los jugadores internacionales como los nacionales respondieron tarde recibiendo saques directos (208 vs. 195 ms). Es muy posible que en estos casos los jugadores hayan tenido problemas para detectar la información respondiendo fuera de los márgenes temporales de acción lo que mermó su rendimiento. Lo mismo pudo haber ocurrido cuando ambos grupos de jugadores corrigieron el movimiento del miembro superior tras el impacto (17% vs. 10%) lo que aumentó el tiempo en responder al redirigir la respuesta hacia el lado correcto (208 vs. 205 ms). Además, los jugadores internacionales obtuvieron tiempos de movimiento menores que el de los jugadores nacionales (509 vs. 531 ms) lo que se reflejó en un tiempo total de actuación menor (683 vs. 703 ms). Por último, en cuanto al rendimiento del resto, los jugadores internacionales obtuvieron valores superiores a los jugadores nacionales (1.3 vs. 0.9). ABSTRACT Although there have been significant advances in laboratory studies with unrepresentative experimental designs (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), today it is still unknown to full extent how tennis players of different levels of expertise calibrate or adjust their movements to the spatial-temporal demands present in the return of a first serve. Few studies have been carried out in situ and some aspects of the methodology most of them used can be questioned. Thus, in several studies the recording frequency has been limited (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), or serve speed was visibly lower than the usual one (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). Also, in some studies, experienced participants have not played at international level (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), and the sample size has been very small (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). Furthermore, different works have used a variety of methods and measurement instruments and coding criteria of the onset of movements and responses have differed; due to this, visuomotor response delay (LVMr) has been very uneven, varying considerably from 198-410 ms. Considering the drawbacks mentioned above, this study aimed to determine a technical model of temporal regulation of movements and returner’s response, taking into account the continuous flow of information provided by the server. For this, a chronometric analysis of the returns of twelve players (six international and six national) of different sports level, that naturally responded by hitting their returns towards the targets, was performed. Actions of servers and returners were recorded with a Casio Exilim Pro Ex-F1 high speed camera (300 Hz) and then every 3.33 ms analysis was made frame by frame. Once the data of the videos were obtained, analyses were performed using one factor ANOVA test, ANCOVA with the speed of the serve as a covariate, U of Mann- Whitney and Pearson’s Chi-square test. As for the regulation of movement until the moment of serve, international players began their actions before national players, which could indicate that they were better prepared to execute movements reflecting the level of their expertise. International players began raising the rear foot at -293 ms and national players at -202 ms. All these actions were being linked to each other and it was at the moment of impact of the server when the receivers demonstrated a remarkable perceptual-motor coordination. Therefore, international players took off and started their flight just -6.5 ms before the serve and national players did the same somewhat later: +19.5 ms after the serve. Along the timeline, everything seems to indicate that the information used by returners interact with each other; early information which is less reliable to anticipate or move before, and later information more reliable appears to regulate the timing of actions. Returners of international and national levels anticipated at spatial level in a low percentage (7.7% vs. 13.6%) and in similar times (-127 vs. -118 ms) suggesting that the use of early and less reliable optical variables is only produced on rare occasions. Moreover, these data relate to a precise response as both international and national players showed a high percentage of success in responding (95.4% vs. 96.7%). It had been noted that international and national players would differ in the time the fall (i.e., landing) of the first foot of the split-step, however, this effect was not found (128 vs. 135 ms). No differences in the percentage of fall with the opposite foot to the direction of the ball (58% vs. 62%) were found. Where the two groups differed was in the time of the fall of the second foot (147 vs. 168 ms). This difference of 21 ms was crucial and it was a proof of mayor speed of international players; suggesting that this action could be related to the onset time of response. Although international players have proven to be faster in relation to their functional capabilities, both groups did not differ in all variables related to LVMr. They did not use those precious milliseconds earned at the time of the fall of the second foot to respond as soon, since the LVMr of the upper limb was the same for both groups (179 vs. 174 ms). It is as if they had all the time in the world to continue to adjust their actions until the return itself. Furthermore, these long times suggest that in the vast majority of the returns, key information that determined the response was detected (pick-up) in moments close to the hit of the server and in the first part of the ball flight. It was also found that in general the LVMr is influenced by the type of information used. Thus, when taking into account the trials during which there was spatial anticipation, reflected in LVMr of the whole body, the times decreased (152 vs. 136 ms). On the other hand, there were occasions (13%) where both international and national players responded late, thus receiving aces (208 vs. 195 ms). It is quite possible that in these cases the players have had trouble to pick-up information, responding out of temporary margins of action, which affected their performance. The same could have occurred when both groups of players corrected upper limb movement after impact (17% vs. 10%), which increased the time to respond and to redirect the return towards the right side (208 vs. 205 ms). Moreover, international players scored lower movement times than the national players (509 vs. 531 ms), which was reflected in a shorter total response time (683 vs. 703 ms). Finally, as far as the performance of return is concerned, international players scored above the national players values (1.3 vs. 0.9).

Kinematic pattern of the drag-flick: a case study

The drag-flick is more efficient than hits or pushes when a penalty corner situation is in effect in field hockey. Previous research has studied the biomechanical pattern of the drag-flick, trying to find the cues for an optimal performance. On the other hand, some other studies have examined the most effective visual pick-up of relevant information in shots and goalkeeper anticipation. The aim of this study was to analyse the individual differences in the drag-flick pattern in order to provide relevant information for goalkeepers. One female skilled drag-flicker participated in the study. A VICON optoelectronic sy stem (Oxford Metrics, Oxford, UK) was used to capture the drag-flicks with six cameras. The results showed that the main significant differences between right and left shots (p<0.05) in the stick angles, stick minimum angular velocity and front foot-ball distance were when the front foot heel contacted the floor(T1) and at the minimum velocity of the stick, before the dragging action (T3). The findings showed that the most relevant information might be picked up at the ball-and-stick location before the dragging action.

Criteria for Ballast Flight Initiation Induced by High Speed Trains

One of the phenomena that limit the velocity of trains in high speed lines is the so- called “ballast pick-up”. It is a ballast train-induced-wind erosion (or BATIWE) that can produce damage to the train under body and the infrastructure surrounding the tracks. The analysis of the measurements taken during several passes of the train allows for a criterion of ballast flight initiation to be obtained. The first rotation of a ballast stone occurs when the impulse given to the stone (arising from the aerodynamic loading produced by the wind gust genera ted by the passing train) overpasses a critical impulse. This impulse depends on the physical properties of the stone (mass, shape, moment of inertia, etc. ...) and its posture on the track bed. The aim of this paper is to report on the experimental results obtained in the ADIF’S Brihuega (Guadalajara) test station, in the Madrid to Barcelona high speed line, and the way they can be used to support the feasibility of the definition of a criterion to evaluate the BA TIWE capability of trains. The results obtained show the feasibility of the proposed method, and contribute to a method of BATIWE characterization, which can be relevant for the development of train interoperability standardization.

Comparative study of the effect of several trains on the ballast rotation

The ballast pick-up (or ballast train-induced-wind erosion (BTE)) phenomenon is a limiting factor for the maximum allowed operational train speed. The determination of the conditions for the initiation of the motion of the ballast stones due to the wind gust created by high-speed trains is critical to predict the start of ballast pick-up because, once the motion is initiated, a saltation-like chain reaction can take place. The aim of this paper is to present a model to evaluate the effect of a random aerodynamic impulse on stone motion initiation, and an experimental study performed to check the capability of the proposed model to classify trains by their effect on the ballast due to the flow generated by the trains. A measurement study has been performed at kp 69 + 500 on the Madrid – Barcelona High Speed Line. The obtained results show the feasibility of the proposed method, and contribute to a technique for BTE characterization, which can be relevant for the development of train interoperability standards

Evaluación de nuevos dispositivos en la interacción de niños con necesidades específicas de apoyo educativo

Durante la realización de este trabajo de fin de grado se realizará el diseño y desarrollo de un juego orientado a niños con necesidades específicas de apoyo educativo. Este grupo de usuarios repercute en el diseño de los elementos del juego los cuales han de ser simples, sin distracciones, textos de ayuda claros y bien definidos, alto contraste en los elementos, ayuda textual y visual, selección de colores evitando referencias conocidas (rojo como referencia a peligro); y una serie de patrones más, que se han tenido que tener en cuenta. El juego es compatible con distintos dispositivos (teclado, pantalla táctil y Kinect), por lo que, como parte del análisis previo, se ha tenido que ver el trabajo realizado anteriormente referente a estos dispositivos (un reconocedor de gestos de pantalla táctil y un reconocedor de gestos de Kinect), que realizaron otros alumnos. En este sentido y como parte de este y otros proyectos, se han tenido que mejorar o complementar las implementaciones de estos reconocedores. Además se han tenido que definir los distintos gestos o teclas, que producirán respuestas en el juego. Como parte de la interacción de los usuarios con el juego mediante los distintos dispositivos, el juego se ha diseñado de tal forma, que es capaz de capturar ciertos datos de forma automática (precisión al realizar un gesto en pantalla, realización de un gesto incorrecto, etc.). Además como soporte adicional a la obtención de datos con el juego, se han planteado distintos formularios (según el dispositivo), los cuales aportan información que el juego no es capaz de recoger de forma automática, y que serán capturados por el pedagogo. Toda esta información recogida será parte de un modelo de datos el cual, en un futuro, servirá para analizar el comportamiento de este grupo de usuarios frente a los distintos dispositivos analizados. Viendo sus ventajas y desventajas tanto en tiempo de respuesta, curva de aprendizaje, dificultad de realización de los gestos, etc.---ABSTRACT---This thesis project will showcase the design and development of a game oriented towards children with special educational needs. This group impacts the design of the game elements, which have to be simple and avoid distractions. There must be clear and well defined help text, high contrast in the elements, text and visual help, color selection that avoids known references (red as a reference to danger), and more series of patterns. The game is compatible with various devices (keyboard, touchscreen and Kinect), by which, as part of the preliminary analysis, the work previously conducted by other students concerning these devices was researched (a touch screen gesture recognizer and a Kinect gesture recognizer). In this regard, and as part of this and other projects, the use of these recognizers must be improved or complemented. In addition the different gestures or keys that will produce answers in the game must be defined. As part of the users’ interaction with the game through the various devices, the game is designed in such a way that it is able to capture certain data automatically (precision making a gesture to the screen, making an improper gesture, etc.). Also as additional support to obtain data with the game, different forms were used (depending on the device), which provide information that the game is not able to pick up automatically, and that will be caught by the teacher. The information collected will be part of a data model which, in the future, will serve to analyze the behavior of this user group with the various devices analyzed. Seeing their advantages and disadvantages both in response time, learning curve and difficulty of making gestures, etc.

Optimization of InGaAsN(Sb)/GaAs quantum dots for optical emission at 1.55 µm with low optical degradation

Low optical degradation in GaInAsN(Sb)/GaAs quantum dots (QDs) p–i–n structures emitting up to 1.55 μm is presented in this paper. We obtain emission at different energies by means of varying N content from 1 to 4%. The samples show a low photoluminescence (PL) intensity degradation of only 1 order of magnitude when they are compared with pure InGaAs QD structures, even for an emission wavelength as large as 1.55 μm. The optimization studies of these structures for emission at 1.55 μm are reported in this work. High surface density and homogeneity in the QD layers are achieved for 50% In content by rapid decrease in the growth temperature after the formation of the nanostructures. Besides, the effect of N and Sb incorporation in the redshift and PL intensity of the samples is studied by post-growth rapid thermal annealing treatments. As a general conclusion, we observe that the addition of Sb to QD with low N mole fraction is more efficient to reach 1.55 μm and high PL intensity than using high N incorporation in the QD. Also, the growth temperature is determined to be an important parameter to obtain good emission characteristics. Finally, we report room temperature PL emission of InGaAsN(Sb)/GaAs at 1.4 μm.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

In-situ optical reflectance characterization of ion beam irradiation damage on crystalline (quartz) and amorphous (silica) SiO2

Outline: • Motivation, aim • Complement waveguide data on silica • Optical data in quartz • Detailed analysis, i.e. both fluence kinetics and resolution • Efficiency of irradiation and analysis, samples, time... • Experimental set-up description • Reflectance procedure • Options: light source (lasers, white light..), detectors, configurations • Results and discussion • Comparative of amorphous and crystalline phases

Optical Multistability and Oscillations in Hybrid Optical Bistable Systems with Short Delay Times

Optical instabilities in the output light from a bistable optical device (BOD) with a delayed feedback was predicted by Ikeda [1]. Gibbs et al. [2] gave the first experimental verification of this type of instabilities. From that time several groups have studied the instabilities of the BOD for different relations between the delay time tR and the time constant ح of the system. In a previous paper [3] an empirical and analytical study of instabilities in hybrid BOD was reported by us. The employed set up is shown in Fig. 1.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Optical properties and microstructure of 2.02-3.30 eV ZnCdO nanowires: effect of thermal annealing

ZnCdO nanowires with up to 45% Cd are demonstrated showing room temperature photoluminescence (PL) down to 2.02 eV and a radiative efficiency similar to that of ZnO nanowires. Analysis of the microstructure in individual nanowires confirms the presence of a single wurtzite phase even at the highest Cd contents, with a homogeneous distribution of Cd both in the longitudinal and transverse directions. Thermal annealing at 550 °C yields an overall improvement of the PL, which is blue-shifted as a result of the homogeneous decrease of Cd throughout the nanowire, but the single wurtzite structure is fully maintained.

Entanglement Distribution in Quantum Metropolitan Optical Networks

The ability to generate entangled photon-pairs over a broad wavelength range opens the door to the simultaneous distribution of entanglement to multiple users of a network using a single source and wavelength-division multiplexing technologies. Here we show the design of a metropolitan optical network made of tree-type access networks where entangled photon-pairs are distributed to any pair of users, independently of their location. The resulting network improves the reach, number of users and capabilities of existing proposals. Moreover, it is made up of typical commercial components and uses the existing infrastructure, which allows for moderate deployment costs. Finally, we develop a channel plan and a network design that allow direct optical communications, quantum and classical, between any pair of users. Therefore, multiple quantum information technologies can make use of this network.

Optical properties of ZnMgO films grown by spray pyrolysis and their application to UV photodetection

This work presents a comprehensive optical characterization of Zn1−xMgxO thin films grown by spray pyrolysis (SP). Absorption measurements show the high potential of this technique to tune the bandgap from 3.30 to 4.11 eV by changing the Mg acetate content in the precursor solution, leading to a change of the Mg-content ranging from 0 up to 35%, as measured by transmission electron microscopy-energy dispersive x-ray spectroscopy. The optical emission of the films obtained by cathodoluminescence and photoluminescence spectroscopy shows a blue shift of the peak position from 3.26 to 3.89 eV with increasing Mg incorporation, with a clear excitonic contribution even at high Mg contents. The linewidth broadening of the absorption and emission spectra as well as the magnitude of the observed Stokes shift are found to significantly increase with the Mg content. This is shown to be related to both potential fluctuations induced by pure statistical alloy disorder and the presence of a tail of band states, the latter dominating for medium Mg contents. Finally, metal–semiconductor–metal photodiodes were fabricated showing a high sensitivity and a blue shift in the cut-off energy from 3.32 to 4.02 eV, i.e., down to 308 nm. The photodiodes present large UV/dark contrast ratios (102 − 107), indicating the viability of SP as a growth technique to fabricate low cost (Zn, Mg)O-based UV photodetectors reaching short wavelengths.