Migração 3-D Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB) pré-empilhamento no domínio da profundidade

O Feixe Gaussiano (FG) é uma solução assintótica da equação da elastodinâmica na vizinhança paraxial de um raio central, a qual se aproxima melhor do campo de ondas do que a aproximação de ordem zero da Teoria do Raio. A regularidade do FG na descrição do campo de ondas, assim como a sua elevada precisão em algumas regiões singulares do meio de propagação, proporciona uma forte alternativa na solução de problemas de modelagem e imageamento sísmicos. Nesta Tese, apresenta-se um novo procedimento de migração sísmica pré-empilhamento em profundidade com amplitudes verdadeiras, que combina a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff e a robustez da migração baseada na utilização de Feixes Gaussianos para a representação do campo de ondas. O algoritmo de migração proposto é constituído por dois processos de empilhamento: o primeiro é o empilhamento de feixes (“beam stack”) aplicado a subconjuntos de dados sísmicos multiplicados por uma função peso definida de modo que o operador de empilhamento tenha a mesma forma da integral de superposição de Feixes Gaussianos; o segundo empilhamento corresponde à migração Kirchhoff tendo como entrada os dados resultantes do primeiro empilhamento. Pelo exposto justifica-se a denominação migração Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB). As principais características que diferenciam a migração KGB, durante a realização do primeiro empilhamento, de outros métodos de migração que também utilizam a teoria dos Feixes Gaussianos, são o uso da primeira zona de Fresnel projetada para limitar a largura do feixe e a utilização, no empilhamento do feixe, de uma aproximação de segunda ordem do tempo de trânsito de reflexão. Como exemplos são apresentadas aplicações a dados sintéticos para modelos bidimensionais (2-D) e tridimensionais (3-D), correspondentes aos modelos Marmousi e domo de sal da SEG/EAGE, respectivamente.

Análise do efeito da discretização do modelo de velocidades nas migrações Kirchhoff e Kirchhoff-Gaussian- Beam 2D pré-empilhamento em profundidade

O Feixe Gaussiano (FG) é uma solução assintótica da equação da elastodinâmica na vizinhança paraxial de um raio central, a qual se aproxima melhor do campo de ondas do que a aproximação de ordem zero da Teoria do Raio. A regularidade do FG na descrição do campo de ondas, assim como a sua elevada precisão em algumas regiões singulares do meio de propagação, proporciona uma forte alternativa no imageamento sísmicos. Nesta dissertação, apresenta-se um novo procedimento de migração sísmica pré-empilhamento em profundidade com amplitudes verdadeiras, que combina a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff e a robustez da migração baseada na utilização de Feixes Gaussianos para a representação do campo de ondas. O algoritmo de migração proposto é constituído por dois processos de empilhamento: o primeiro é o empilhamento de feixes (“beam stack”) aplicado a subconjuntos de dados sísmicos multiplicados por uma função peso definida de modo que o operador de empilhamento tenha a mesma forma da integral de superposição de Feixes Gaussianos; o segundo empilhamento corresponde à migração Kirchhoff tendo como entrada os dados resultantes do primeiro empilhamento. Pelo exposto justifica-se a denominação migração Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB).Afim de comparar os métodos Kirchhoff e KGB com respeito à sensibilidade em relação ao comprimento da discretização, aplicamos no conjunto de dados conhecido como Marmousi 2-D quatro grids de velocidade, ou seja, 60m, 80m 100m e 150m. Como resultado, temos que ambos os métodos apresentam uma imagem muito melhor para o menor intervalo de discretização da malha de velocidade. O espectro de amplitude das seções migradas nos fornece o conteúdo de frequência espacial das seções das imagens obtidas.

Orientation of biological cells using plane-polarized gaussian beam optical tweezers

Optical tweezers are widely used for the manipulation of cells and their internal structures. However, the degree of manipulation possible is limited by poor control over the orientation of the trapped cells. We show that it is possible to controllably align or rotate disc-shaped cells-chloroplasts of Spinacia oleracea-in a plane-polarized Gaussian beam trap, using optical torques resulting predominantly from circular polarization induced in the transmitted beam by the non-spherical shape of the cells.

Super-Gaussian conical refraction beam

We demonstrate the transformation of Gaussian input beams into super-Gaussian beams with a quasi flat-top transverse profile by means of the conical refraction phenomenon by adjusting the ratio between the ring radius and the waist radius of the input beam to 0.445. We discuss the beam propagation of the super-Gaussian beam and show that it has a confocal parameter three times larger than the one that would be obtained from a Gaussian beam. The experiments performed with a KGd(WO4)2 biaxial crystal are in good agreement with the theoretical predictions. © 2014 Optical Society of America.

Investigation of aspect ratio of hole drilling from micro to nanoscale via focused ion beam fine milling

Holes with different sizes from microscale to nanoscale were directly fabricated by focused ion beam (FIB) milling in this paper. Maximum aspect ratio of the fabricated holes can be 5:1 for the hole with large size with pure FIB milling, 10:1 for gas assistant etching, and 1:1 for the hole with size below 100 nm. A phenomenon of volume swell at the boundary of the hole was observed. The reason maybe due to the dose dependence of the effective sputter yield in low intensity Gaussian beam tail regions and redeposition. Different materials were used to investigate variation of the aspect ratio. The results show that for some special material, such as Ni-Be, the corresponding aspect ratio can reach 13.8:1 with Cl₂ assistant etching, but only 0.09:1 for Si(100) with single scan of the FIB.

Conical refraction healing after partially blocking the input beam

In conical refraction, when a focused Gaussian beam passes along one of the optic axes of a biaxial crystal, it is transformed into a pair of concentric bright rings at the focal plane. We demonstrate both theoretically and experimentally that this transformation is hardly affected by partially blocking the Gaussian input beam with an obstacle. We analyze the influence of the size of the obstruction both on the transverse intensity pattern of the beam and on its state of polarization, which is shown to be very robust.

Topological charge and angular momentum of light beams carrying optical vortices

We analyze the properties of light beams carrying phase singularities, or optical vortices. The transformations of topological charge during free-space propagation of a light wave, which is a combination of a Gaussian beam and a multiple charged optical vortex within a Gaussian envelope, are studied both in theory and experiment. We revise the existing knowledge about topological charge conservation, and demonstrate possible scenarios where additional vortices appear or annihilate during free propagation of such a combined beam. Coaxial interference of optical vortices is also analyzed, and the general rule for angular-momentum density distribution in a combined beam is established. We show that, in spite of any variation in the number of vortices in a combined beam, the total angular momentum is constant during the propagation. [S1050-2947(97)09910-1].

Design of microchannel free-space optical interconnects based on vertical-cavity surface-emitting laser arrays

We investigate the design of free-space optical interconnects (FSOIs) based on arrays of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), microlenses, and photodetectors. We explain the effect of the modal structure of a multimodeVCSEL beam on the performance of a FSOI with microchannel architecture. A Gaussian-beam diffraction model is used in combination with the experimentally obtained spectrally resolved VCSEL beam profiles to determine the optical channel crosstalk and the signal-to-noise ratio (SNR) in the system. The dependence of the SNR on the feature parameters of a FSOI is investigated. We found that the presence of higher-order modes reduces the SNR and the maximum feasible interconnect distance. We also found that the positioning of a VCSEL array relative to the transmitter microlens has a significant impact on the SNR and the maximum feasible interconnect distance. Our analysis shows that the departure from the traditional confocal system yields several advantages including the extended interconnect distance and/or improved SNR. The results show that FSOIs based on multimode VCSELs can be efficiently utilized in both chip-level and board-level interconnects. (C) 2002 Optical Society of America.

On the longitudinal component of paraxial fields

The analysis of paraxial Gaussian beams features in most undergraduate courses in laser physics, advanced optics and photonics. These beams provide a simple model of the field generated in the resonant cavities of lasers, thus constituting a basic element for understanding laser theory. Usually, uniformly polarized beams are considered in the analytical calculations, with the electric field vibrating at normal planes to the propagation direction. However, such paraxial fields do not verify the Maxwell equations. In this paper we discuss how to overcome this apparent contradiction and evaluate the longitudinal component that any paraxial Gaussian beam should exhibit. Despite the fact that the assumption of a purely transverse paraxial field is useful and accurate, the inclusion of the above issue in the program helps students to clarify the importance of the electromagnetic nature of light, thus providing a more complete understanding of the paraxial approach.

Sub-surface terahertz imaging through uneven surfaces: visualizing Neolithic wall paintings in Çatalhöyük

Pulsed terahertz imaging is being developed as a technique to image obscured mural paintings. Due to significant advances in terahertz technology, portable systems are now capable of operating in unregulated environments and this has prompted their use on archaeological excavations. August 2011 saw the first use of pulsed terahertz imaging at the archaeological site of Çatalhöyük, Turkey, where mural paintings dating from the Neolithic period are continuously being uncovered by archaeologists. In these particular paintings the paint is applied onto an uneven surface, and then covered by an equally uneven surface. Traditional terahertz data analysis has proven unsuccessful at sub-surface imaging of these paintings due to the effect of these uneven surfaces. For the first time, an image processing technique is presented, based around Gaussian beam-mode coupling, which enables the visualization of the obscured painting.

Pseudo-nonlinear and athermal lensing effects on transverse properties of Cr(3+) based solid-state lasers

Several experiments (time-resolved Z-scan experiments based on pulsed and CW pump lasers, time-resolved divergence diagnostics) have been performed to examine and clarify the question of the converging or diverging population lensing effect occurring in a Cr(3+):Al(2)O(3) ruby laser. The dynamics of the laser far-field divergence of such a laser indeed indicated initially a diverging effect while Z-scan measurements conclude to a converging one. The origin of this discrepancy is thus analysed and elucidated here by introducing the general concept of correlation collapse between the centre and the wings of a laser beam having some clipping. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Migração Kirchhoff pré-empilhamento em profundidade modificada usando o operador de feixes gaussianos

A teoria dos feixes gaussianos foi introduzida na literatura sísmica no início dos anos 80 por pesquisadores russos e tchecos, e foi originalmente utilizada no cálculo do campo de ondas eletromagnéticas, baseado na teoria escalar da difração. Na teoria dos feixes gaussianos, o campo de ondas sísmicas é obtido por uma integral, cujo o integrando é constituído de duas partes, a saber: (1) as amplitudes dos campos das ondas na vizinhança do ponto de observação e (2) a função fase de cada um desses campos de ondas, que neste caso é representada por um tempo de trânsito paraxial complexo. Como ferramenta de imageamento, mais precisamente como operador de migração, os primeiros trabalhos usando feixes gaussianos datam do final da década de 80 e início dos anos 90. A regularidade dos campos de ondas descritos pelos feixes gaussianos, além de sua alta precisão em regiões singulares do modelo de velocidades, tornaram o uso de feixes gaussianos como uma alternativa híbrida viável para a migração. Nesse trabalho, unimos a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff em profundidade em verdadeira amplitude com a regularidade da descrição do campo de ondas, representado pela sobreposição de feixes gaussianos. Como forma de controlar de forma estável quantidades usadas na construção de feixes gaussianos, utilizamos informações advindas do volume de Fresnel, mais precisamente a zona de Fresnel ao redor do ponto de reflexão e a zona de Fresnel projetada, localizada ao redor do ponto de registro do sismograma e cuja a informação se encontra nas curvas de reflexão de dados sísmico. Nosso processo de migração pode ser chamado como uma migração Kirchhoff em verdadeira amplitude usando um operador de feixes gaussianos.

Migração pré-empilhamento Kirchhoff feixes gaussianos 2,5D nos domínios afastamento comum e ângulo-comum

O método de migração do tipo Kirchhoff se apresenta na literatura como uma das ferramentas mais importantes de todo o processamento sísmico, servindo de base para a resolução de outros problemas de imageamento, devido ao um menor custo computacional em relação aos métodos que tem por base a solução numérica da equação da onda. No caso da aplicação em três dimensões (3D), mesmo a migração do tipo Kirchhoff torna-se dispendiosa, no que se refere aos requisitos computacionais e até mesmo numéricos para sua efetiva aplicação. Desta maneira, no presente trabalho, objetivando produzir resultados com uma razão sinal/ruído maior e um menor esforço computacional, foi utilizado uma simplificação do meio denominado 2.5D, baseado nos fundamentos teóricos da propagação de feixes gaussianos. Assim, tendo como base o operador integral com feixes gaussianos desenvolvido por Ferreira e Cruz (2009), foi derivado um novo operador integral de superposição de campos paraxiais (feixes gaussianos), o mesmo foi inserido no núcleo do operador integral de migração Kirchhoff convencional em verdadeira amplitude, para a situação 2,5D, definindo desta maneira um novo operador de migração do tipo Kirchhoff para a classe pré-empilhamento em verdadeira amplitude 2.5D (KGB,do inglês Kirchhoff-Gausian-Beam). Posteriormente, tal operador foi particularizado para as configurações de medida afastamento comum (CO, do inglês common offset) e ângulo de reflexão comum (CA, do inglês common angle), ressaltando ainda, que na presente Tese foi também idealizada uma espécie de flexibilização do operador integral de superposição de feixes gaussianos, no que concerne a sua aplicação em mais de um domínio, quais sejam, afastamento comum e fonte comum. Nesta Tese são feitas aplicações de dados sintéticos originados a partir de um modelo anticlinal.

A Compensating Anastigmatic Submillimeter Array Imaging System for STEAMR

In this paper, we present a novel technique for the removal of astigmatism in submillimeter-wave optical systems through employment of a specific combination of so-called astigmatic off-axis reflectors. This technique treats an orthogonally astigmatic beam using skew Gaussian beam analysis, from which an anastigmatic imaging network is derived. The resultant beam is considered truly stigmatic, with all Gaussian beam parameters in the orthogonal directions being matched. This is thus considered an improvement over previous techniques wherein a beam corrected for astigmatism has only the orthogonal beam amplitude radii matched, with phase shift and phase radius of curvature not considered. This technique is computationally efficient, negating the requirement for computationally intensive numerical analysis of shaped reflector surfaces. The required optical surfaces are also relatively simple to implement compared to such numerically optimized shaped surfaces. This technique is implemented in this work as part of the complete optics train for the STEAMR antenna. The STEAMR instrument is envisaged as a mutli-beam limb sounding instrument operating at submillimeter wavelengths. The antenna optics arrangement for this instrument uses multiple off-axis reflectors to control the incident radiation and couple them to their corresponding receiver feeds. An anastigmatic imaging network is successfully implemented into an optical model of this antenna, and the resultant design ensures optimal imaging of the beams to the corresponding feed horns. This example also addresses the challenges of imaging in multi-beam antenna systems.