High-conversion-efficiency and broadband tunable femtosecond noncollinear optical parametric amplifier

We build a compact high-conversion-efficiency and broadband tunable noncollinear optical parametric amplifier (OPA) in the infra-red (IR) pumped by a femtosecond Ti:sapphire CPA laser. The OPA consists of an internal seed of white-light continuum generator (WLG) and two noncollinear optical parametric amplifiers. The tunable wavelength range is from 1.2 mu m to 2.4 mu m for both signal and idle pulses. The total OPA efficiency in the last OPA stage reaches about 40% in a wider tunable spectral range (from 1.3 mu m to 1.7 mu m for signal pulse, from 1.5 mu m to 2.0 mu m for idle pulse respectively).

Catalytic conversion of nitrogen to ammonia by an iron model complex

Threefold symmetric Fe phosphine complexes have been used to model the structural and functional aspects of biological N₂ fixation by nitrogenases. Low-valent bridging Fe-S-Fe complexes in the formal oxidation states Fe(II)Fe(II), Fe(II)/Fe(I), and Fe(I)/Fe(I) have been synthesized which display rich spectroscopic and magnetic behavior. A series of cationic tris-phosphine borane (TPB) ligated Fe complexes have been synthesized and been shown to bind a variety of nitrogenous ligands including N₂H₄, NH₃, and NH₂-. These complexes are all high spin S = 3/2 and display EPR and magnetic characteristics typical of this spin state. Furthermore, a sequential protonation and reduction sequence of a terminal amide results in loss of NH₃ and uptake of N₂. These stoichiometric transformations represent the final steps in potential N₂ fixation schemes.

Treatment of an anionic FeN₂ complex with excess acid also results in the formation of some NH₃, suggesting the possibility of a catalytic cycle for the conversion of N₂ to NH₃ mediated by Fe. Indeed, use of excess acid and reductant results in the formation of seven equivalents of NH₃ per Fe center, demonstrating Fe mediated catalytic N₂ fixation with acids and protons for the first time. Numerous control experiments indicate that this catalysis is likely being mediated by a molecular species.

A number of other phosphine ligated Fe complexes have also been tested for catalysis and suggest that a hemi-labile Fe-B interaction may be critical for catalysis. Additionally, various conditions for the catalysis have been investigated. These studies further support the assignment of a molecular species and delineate some of the conditions required for catalysis.

Finally, combined spectroscopic studies have been performed on a putative intermediate for catalysis. These studies converge on an assignment of this new species as a hydrazido(2-) complex. Such species have been known on group 6 metals for some time, but this represents the first characterization of this ligand on Fe. Further spectroscopic studies suggest that this species is present in catalytic mixtures, which suggests that the first steps of a distal mechanism for N₂ fixation are feasible in this system.

Nanostructured tungsten trioxide photoanodes for solar energy conversion

Nanostructured tungsten trioxide (WO₃) photoelectrodes are potential candidates for the anodic portion of an integrated solar water-splitting device that generates hydrogen fuel and oxygen from water. These nanostructured materials can potentially offer improved performance in photooxidation reactions compared to unstructured materials because of enhancements in light scattering, increases in surface area, and their decoupling of the directions of light absorption and carrier collection. To evaluate the presence of these effects and their contributions toward energy conversion efficiency, a variety of nanostructured WO₃ photoanodes were synthesized by electrodeposition within nanoporous templates and by anodization of tungsten foils. A robust fabrication process was developed for the creation of oriented WO₃ nanorod arrays, which allows for control nanorod diameter and length. Films of nanostructured WO₃ platelets were grown via anodization, the morphology of the films was controlled by the anodization conditions, and the current-voltage performance and spectral response properties of these films were studied. The observed photocurrents were consistent with the apparent morphologies of the nanostructured arrays. Measurements of electrochemically active surface area and other physical characteristics were correlated with observed differences in absorbance, external quantum yield, and photocurrent density for the anodized arrays. The capability to quantify these characteristics and relate them to photoanode performance metrics can allow for selection of appropriate structural parameters when designing photoanodes for solar energy conversion.

Coherent enhancement of broadband frequency up-conversion in BBO crystal by shaping femtosecond laser pulses

An optimal feedback control of broadband frequency up-conversion in BBO crystal is experimentally demonstrated by shaping femto-second laser pulses based on genetic algorithm, and the frequency up-conversion efficiency can be enhanced by similar to 16%. SPIDER results show that the optimal laser pulses have shorter pulse-width with the little negative chirp than the original pulse with the little positive chirp. By modulating the fundamental spectral phase with periodic square distribution on SLM-256, the frequency up-conversion can be effectively controlled by the factor of about 17%. The experimental results indicate that the broadband frequency up-conversion efficiency is related to both of second harmonic generation (SHG) and sum frequency generation (SFG), where the former depends on the fundamental pulse intensity, and the latter depends on not only the fundamental pulse intensity but also the fundamental pulse spectral phase. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Part I. Efforts directed towards the total synthesis of shionone. Part II. Conversion of estrone to androst-4-EN-3-ONE: a new method for activating the C-9 and C-10 positions of estrogenic steroids for substitution

Part I: An approach to the total synthesis of the triterpene shionone is described, which proceeds through the tetracyclic ketone i. The shionone side chain has been attached to this key intermediate in 5 steps, affording the olefin 2 in 29% yield. A method for the stereo-specific introduction of the angular methyl group at C-5 of shionone has been developed on a model system. The attempted utilization of this method to convert olefin 2 into shionone is described.

Part II: A method has been developed for activating the C-9 and C-10 positions of estrogenic steroids for substitution. Estrone has been converted to 4β,5β-epoxy-10β-hydroxyestr-3-one; cleavage of this epoxyketone using an Eschenmoser procedure, and subsequent modification of the product afforded 4-seco-9-estren-3,5-dione 3-ethylene acetal. This versatile intermediate, suitable for substitution at the 9 and/or 10 position, was converted to androst-4-ene-3-one by known procedures.

Resonance cones and mode conversion in a warm magnetized bounded plasma

The warm plasma resonance cone structure of the quasistatic field produced by a gap source in a bounded magnetized slab plasma is determined theoretically. This is initially determined for a homogeneous or mildly inhomogeneous plasma with source frequency lying between the lower hybrid frequency and the plasma frequency. It is then extended to the complicated case of an inhomogeneous plasma with two internal lower hybrid layers present, which is of interest to radio frequency heating of plasmas.

In the first case, the potential is obtained as a sum of multiply reflected warm plasma resonance cones, each of which has a similar structure, but a different size, amplitude, and position. An important interference between nearby multiply-reflected resonance cones is found. The cones are seen to spread out as they move away from the source, so that this interference increases and the individual resonance cones become obscured far away from the source.

In the second case, the potential is found to be expressible as a sum of multiply-reflected, multiply-tunnelled, and mode converted resonance cones, each of which has a unique but similar structure. The effects of both collisional and collisionless damping are included and their effects on the decay of the cone structure studied. Various properties of the cones such as how they move into and out of the hybrid layers, through the evanescent region, and transform at the hybrid layers are determined. It is found that cones can tunnel through the evanescent layer if the layer is thin, and the effect of the thin evanescent layer is to subdue the secondary maxima of cone relative to the main peak, while slightly broadening the main peak and shifting it closer to the cold plasma cone line.

Energy theorems for quasistatic fields are developed and applied to determine the power flow and absorption along the individual cones. This reveals the points of concentration of the flow and the various absorption mechanisms.

A study of a new electromechanical energy conversion process using superconducting frequency modulated resonators

Experimental demonstrations and theoretical analyses of a new electromechanical energy conversion process which is made feasible only by the unique properties of superconductors are presented in this dissertation. This energy conversion process is characterized by a highly efficient direct energy transformation from microwave energy into mechanical energy or vice versa and can be achieved at high power level. It is an application of a well established physical principle known as the adiabatic theorem (Boltzmann-Ehrenfest theorem) and in this case time dependent superconducting boundaries provide the necessary interface between the microwave energy on one hand and the mechanical work on the other. The mechanism which brings about the conversion is another known phenomenon - the Doppler effect. The resonant frequency of a superconducting resonator undergoes continuous infinitesimal shifts when the resonator boundaries are adiabatically changed in time by an external mechanical mechanism. These small frequency shifts can accumulate coherently over an extended period of time to produce a macroscopic shift when the resonator remains resonantly excited throughout this process. In addition, the electromagnetic energy in s ide the resonator which is proportional to the oscillation frequency is al so accordingly changed so that a direct conversion between electromagnetic and mechanical energies takes place. The intrinsically high efficiency of this process is due to the electromechanical interactions involved in the conversion rather than a process of thermodynamic nature and therefore is not limited by the thermodynamic value.

A highly reentrant superconducting resonator resonating in the range of 90 to 160 MHz was used for demonstrating this new conversion technique. The resonant frequency was mechanically modulated at a rate of two kilohertz. Experimental results showed that the time evolution of the electromagnetic energy inside this frequency modulated (FM) superconducting resonator indeed behaved as predicted and thus demonstrated the unique features of this process. A proposed usage of FM superconducting resonators as electromechanical energy conversion devices is given along with some practical design considerations. This device seems to be very promising in producing high power (~10W/cm^3) microwave energy at 10 - 30 GHz.

Weakly coupled FM resonator system is also analytically studied for its potential applications. This system shows an interesting switching characteristic with which the spatial distribution of microwave energies can be manipulated by external means. It was found that if the modulation was properly applied, a high degree (>95%) of unidirectional energy transfer from one resonator to the other could be accomplished. Applications of this characteristic to fabricate high efficiency energy switching devices and high power microwave pulse generators are also found feasible with present superconducting technology.

A utilização de tecnologias digitais de geoprocessamento na identificação de unidades de paisagem na bacia hidrográfica do rio Iguaçu-Sarapuí (RJ)

A Bacia do Rio Iguaçu-Sarapuí integra a região hidrográfica da Baía de Guanabara. Sua área de drenagem, com cerca de 726 km2, corresponde a aproximadamente 20% do total da área de contribuição à Baía, da ordem de 4600 km2 . Os municípios abrangidos pela bacia do Rio Iguaçu são: Nova Iguaçu, Duque de Caxias, Belford Roxo, São João de Meriti, Nilópolis, Mesquita e uma pequena parte do município do Rio de Janeiro. O presente trabalho tem como objetivo utilizar metodologias destinadas à identificação das unidades de paisagem na Bacia Hidrográfica do Rio Iguaçu, baseado nos conceitos de Paisagem Integrada e utilizando como suporte tecnologias digitais de geoprocessamento. Para o desenvolvimento desta pesquisa foram utilizados dados de diferentes fontes e órgãos governamentais de planejamento que trate desta temática. Os dados ao qual o texto se refere são: bases cartográficas em diferentes escalas de abordagem, Imagens Sensoriais Landsat 7, relatórios e diagnóstico da área em estudo. A identificação das unidades de paisagem na bacia do Rio Iguaçu-Sarapuí é feita a partir da delimitação das unidades de relevo e informações sobre o uso do solo, aspectos geológicos e pedológicos. O trabalho foi baseado no apoio das tecnologias digitais de geoprocessamento que permite uma melhor correlação entre diferentes tipos de informações tanto dos aspectos físicos, geológicos como também das ações antrópicas, classificando-as quanto ao grau de intervenção. O resultado do trabalho nesta região foi a elaboração de um diagnóstico ambiental das limitações e susceptibilidade ao desenvolvimento de determinadas atividades distribuindo-as espacialmente na bacia. A utilização de um Sistema de Informação Geográfica, em especial o Arc Gis 9.2 teve uma importância relevante na elaboração da pesquisa. Uma vez que este sistema trabalha com grandes volumes de informações e na análise integrada de objetos complexos, além de permitir a elaboração de um banco de dados espacial no próprio projeto. O que o diferencia dos demais Sistema de Informação Geográfica, tornando-o uma ferramenta eficiente na gestão integrada dos recursos naturais.

Análise de unidades de pré-purificação de ar por adsorção

Os principais constituintes do ar, nitrogênio, oxigênio e argônio, estão cada vez mais presentes nas indústrias, onde são empregados nos processos químicos, para o transporte de alimentos e processamento de resíduos. As duas principais tecnologias para a separação dos componentes do ar são a adsorção e a destilação criogênica. Entretanto, para ambos os processos é necessário que os contaminantes do ar, como o gás carbônico, o vapor dágua e hidrocarbonetos, sejam removidos para evitar problemas operacionais e de segurança. Desta forma, o presente trabalho trata do estudo do processo de pré-purificação de ar utilizando adsorção. Neste sistema a corrente de ar flui alternadamente entre dois leitos adsorvedores para produzir ar purificado continuamente. Mais especificamente, o foco da dissertação corresponde à investigação do comportamento de unidades de pré-purificação tipo PSA (pressure swing adsorption), onde a etapa de dessorção é realizada pela redução da pressão. A análise da unidade de pré-purificação parte da modelagem dos leitos de adsorção através de um sistema de equações diferenciais parciais de balanço de massa na corrente gasosa e no leito. Neste modelo, a relação de equilíbrio relativa à adsorção é descrita pela isoterma de Dubinin-Astakhov estendida para misturas multicomponentes. Para a simulação do modelo, as derivadas espaciais são discretizadas via diferenças finitas e o sistema de equações diferenciais ordinárias resultante é resolvido por um solver apropriado (método das linhas). Para a simulação da unidade em operação, este modelo é acoplado a um algoritmo de convergência relativo às quatro etapas do ciclo de operação: adsorção, despressurização, purga e dessorção. O algoritmo em questão deve garantir que as condições finais da última etapa são equivalentes às condições iniciais da primeira etapa (estado estacionário cíclico). Desta forma, a simulação foi implementada na forma de um código computacional baseado no ambiente de programação Scilab (Scilab 5.3.0, 2010), que é um programa de distribuição gratuita. Os algoritmos de simulação de cada etapa individual e do ciclo completo são finalmente utilizados para analisar o comportamento da unidade de pré-purificação, verificando como o seu desempenho é afetado por alterações nas variáveis de projeto ou operacionais. Por exemplo, foi investigado o sistema de carregamento do leito que mostrou que a configuração ideal do leito é de 50% de alumina seguido de 50% de zeólita. Variáveis do processo foram também analisadas, a pressão de adsorção, a vazão de alimentação e o tempo do ciclo de adsorção, mostrando que o aumento da vazão de alimentação leva a perda da especificação que pode ser retomada reduzindo-se o tempo do ciclo de adsorção. Mostrou-se também que uma pressão de adsorção maior leva a uma maior remoção de contaminantes.

Influência do agente de halogenação e da razão molar Cl:Nd na polimerização e nas características do polibutadieno obtido com catalisador Ziegler-Natta à base de neodímio

Nesta Dissertação foi utilizado um sistema catalítico Zieger-Natta à base de neodímio para avaliar a influência do agente de halogenação e da razão molar halogênio:Nd sobre a atividade catalítica, a constante de velocidade de propagação, a conversão da polimerização, a microestrutura, a massa molecular e a polidispersão do polibutadieno 1,4-cis. O sistema utilizado era constituído por versatato de neodímio (NdV), hidreto de diisobutilalumínio (DIBAH) e um agente de halogenação. Os agentes halogenantes estudados foram: cloreto de t-butila (t-BuCl), sesquicloreto de etilalumínio (EASC) e cloreto de dietilalumínio (DEAC), em valores de razão molar Cl:Nd que variaram entre 0,5:1 e 5:1 e o dietil-eterato de trifluoreto de boro (BF3.Et2O), na razão molar F:Nd = 3:1. Os polímeros foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho para determinação da microestrutura e por cromatografia de exclusão por tamanho para determinação das massas moleculares. O teor de unidades 1,4-cis variou de 90 a 98%, a massa molecular numérica média ( ) permaneceu na faixa entre 0,2 e 2x105, e a massa molecular ponderal média ( ) variou de 1,4 a 4x105

Riscos ocupacionais e problemas de saúde associados às condições de trabalho de enfermagem em unidades intensivas hospitalares

Trata-se de um estudo quantitativo, descritivo, visando uma análise das condições de trabalho em unidades intensivas de um hospital universitário no município do Rio de Janeiro. Foi definido como objeto de estudo a percepção dos trabalhadores de enfermagem sobre os riscos ocupacionais e os problemas de saúde inerentes às condições de trabalho em unidades intensivas e como problema de pesquisa: quais os riscos ocupacionais e problemas de saúde relacionados às condições de trabalho, percebidos pelos trabalhadores de enfermagem, em unidades intensivas de um hospital universitário? O objetivo geral foi estudar nas unidades intensivas os riscos ocupacionais e problemas de saúde da equipe de enfermagem e sua relação com condições de trabalho, a partir da percepção dos mesmos. Os objetivos específicos traçados foram: identificar as características pessoais e profissionais dos trabalhadores de enfermagem de unidades intensivas; descrever os fatores de risco do ambiente de trabalho percebidos pelos trabalhadores de enfermagem; levantar os problemas de saúde percebidos pelos trabalhadores e sua relação com o trabalho; analisar a associação entre os problemas de saúde percebidos pelos trabalhadores de enfermagem e as condições do trabalho em unidades intensivas. Participaram da pesquisa 125 profissionais de enfermagem de quatro unidades intensivas do Hospital Universitário (HU) entre Maio e Julho de 2009. A predominância foi de profissionais do sexo feminino, com idade acima dos 40 anos, com mais de um vínculo empregatício e trabalhando no HU há mais de 10 anos. Os riscos ocupacionais mais percebidos pelos trabalhadores foram os ergonômicos, seguido dos biológicos, de acidentes, físicos e químicos. Os problemas de saúde mais frequentes foram varizes, problemas oculares, lombalgias, estresse e depressão, transtornos do sono, lesões de coluna vertebral, dores de cabeça, mudanças no humor, dores musculares crônicas e hipertensão arterial. Pela associação entre riscos ocupacionais e problemas de saúde, conclui-se que os trabalhadores expostos a fatores de riscos ergonômicos e físicos têm maior probabilidade de adquirir problemas de saúde osteoarticulares e circulatórios (varizes). Diante dos dados desta pesquisa faz-se necessário aprofundamento da investigação sobre os fatores de riscos encontrados e possíveis medidas para minimizá-los, mediante novos estudos. Como recomendações destacam-se a criação de um espaço de discussão entre os gerentes e trabalhadores para a elaboração de um programa que vise a promoção e proteção da saúde do trabalhador de enfermagem de unidades intensivas; implementação de medidas de controle específicas para cada tipo de risco evidenciado e a criação de um Comitê de Ergonomia para operacionalizar a implementação das melhorias no HU, a fim de consolidar as transformações esperadas.

Code conversion from signed-digit to complement representation based on look-ahead optical logic operations

We present, for the first time to our knowledge, a generalized lookahead logic algorithm for number conversion from signed-digit to complement representation. By properly encoding the signed-digits, all the operations are performed by binary logic, and unified logical expressions can be obtained for conversion from modified-signed-digit (MSD) to 2's complement, trinary signed-digit (TSD) to 3's complement, and quarternary signed-digit (QSD) to 4's complement. For optical implementation, a parallel logical array module using an electron-trapping device is employed and experimental results are shown. This optical module is suitable for implementing complex logic functions in the form of the sum of the product. The algorithm and architecture are compatible with a general-purpose optoelectronic computing system. (C) 2001 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Grating-encoded multichannel photorefractive incoherent-to-coherent optical conversion

A dynamic multichannel incoherent-to-coherent optical converter based on the photorefractive effect of SBN:Ce is described. A number of grating-encoded input images, illuminated by incoherent light, are projected onto the crystal to yield photoinduced phase gratings. Coherent positive replicas of these images are simultaneously reconstructed by a coherent read beam. A simple theoretical description of this converter and corresponding experimental results are presented.