Analyzing laser plasma interferograms with a continuous wavelet transform ridge extraction technique: the method

Laser plasma interferograms are currently analyzed by extraction of the phase-shift map with fast Fourier transform (FFT) techniques [Appl. Opt. 18, 3101 (1985)]. This methodology works well when interferograms are only marginally affected by noise and reduction of fringe visibility, but it can fail to produce accurate phase-shift maps when low-quality images are dealt with. We present a novel procedure for a phase-shift map computation that makes extensive use of the ridge extraction in the continuous wavelet transform (CWT) framework. The CWT tool is flexible because of the wide adaptability of the analyzing basis, and it can be accurate because of the intrinsic noise reduction in the ridge extraction. A comparative analysis of the accuracy performances of them new tool and the FFT-based one shows that the CWT-based tool produces phase maps considerably less noisy and that it can better resolve local inhomogeneties. (C) 2001 Optical Society of America.

Optical Cooling of Atoms in Microtraps by Time-Delayed Reflection

We present a theoretical analysis of a novel scheme for optical cooling of particles that does not in principle require a closed optical transition. A tightly confined laser beam interacting with a trapped particle experiences a phase shift, which upon reflection from a mirror or resonant microstructure produces a time-delayed optical potential for the particle. This leads to a nonconservative force and friction. A quantum model of the system is presented and analyzed in the semiclassical limit.

Inverse Gaussian Modeling of Turbulence-Induced Fading in Free-Space Optical Systems

We propose the inverse Gaussian distribution, as a less complex alternative to the classical log-normal model, to describe turbulence-induced fading in free-space optical (FSO) systems operating in weak turbulence conditions and/or in the presence of aperture averaging effects. By conducting goodness of fit tests, we define the range of values of the scintillation index for various multiple-input multiple-output (MIMO) FSO configurations, where the two distributions approximate each other with a certain significance level. Furthermore, the bit error rate performance of two typical MIMO FSO systems is investigated over the new turbulence model; an intensity-modulation/direct detection MIMO FSO system with Q-ary pulse position modulation that employs repetition coding at the transmitter and equal gain combining at the receiver, and a heterodyne MIMO FSO system with differential phase-shift keying and maximal ratio combining at the receiver. Finally, numerical results are presented that validate the theoretical analysis and provide useful insights into the implications of the model parameters on the overall system performance. © 2011 IEEE.

Accurate and Efficient Modelling to Calculate the Voltage Dependence of Liquid Crystal Based Reflectarray Cells

Two models that can predict the voltage-dependent scattering from liquid crystal (LC)-based reflectarray cells are presented. The validity of both numerical techniques is demonstrated using measured results in the frequency range 94-110 GHz. The most rigorous approach models, for each voltage, the inhomogeneous and anisotropic permittivity of the LC as a stratified media in the direction of the biasing field. This accounts for the different tilt angles of the LC molecules inside the cell calculated from the solution of the elastic problem. The other model is based on an effective homogeneous permittivity tensor that corresponds to the average tilt angle along the longitudinal direction for each biasing voltage. In this model, convergence problems associated with the longitudinal inhomogeneity are avoided, and the computation efficiency is improved. Both models provide a correspondence between the reflection coefficient (losses and phase-shift) of the LC-based reflectarray cell and the value of biasing voltage, which can be used to design beam scanning reflectarrays. The accuracy and the efficiency of both models are also analyzed and discussed.

Tailoring the nonlinear frequency coupling between odd harmonics for the optimisation of charged particle dynamics in capacitively coupled oxygen plasmas

The influence of nonlinear frequency coupling in an oxygen plasma excited by two odd harmonics at moderate pressure is investigated using a numerical model. Through variations in the voltage ratio and phase shift between the frequency components changes in ionization dynamics and sheath voltages are demonstrated. Furthermore, a regime in which the voltage drop across the plasma sheath is minimised is identified. This regime provides a significantly higher ion flux than a single frequency discharge driven by the lower of the two frequencies alone. These operating parameters have potential to be exploited for plasma processes requiring low ion bombardment energies but high ion fluxes. 

Linear-to-Circular Polarization Reflector With Transmission Band

A new class of polarizing surface is proposed that in a given frequency band can reflect incident linearly polarized waves with circular polarization (CP) while at other frequencies is transparent allowing incident waves to transmit unaffected. The proposed structure consists of two parallel anisotropic frequency selective surfaces (FSSs) that independently interact with TE or TM waves, respectively. The FSSs are designed to, respectively, transmit TE and TM waves within the same transmission frequency range, so that the combined structure is transparent to all polarizations in this band. Likewise, the two arrays are designed to, respectively, reflect TE and TM incident waves in a common reflection band, so that all polarizations are fully reflected in this range; if the separation of the two arrays is such that the TE and TM components of an incident wave polarized at slant 45° experience a 90° phase shift, reflection will occur in CP. The concept and performance limitations are theoretically investigated using transmission line theory as well as full wave results. The predicted performance is validated by means of experimental results on a fabricated prototype. The proposed structure is pertinent for employment as a quasi-optical diplexer in CP dual-band systems such as reflector antennas.

Millimeter Wave Amplitude Comparison Monopulse Using a Waveguide Rotman Lens

A 94 GHz waveguide Rotman lens is described which can be used to implement an amplitude comparison monopulse RADAR. In transmit mode, adjacent dual beam ports are excited with equal amplitude and phase to form a sum radiation pattern, and in receive mode, the outputs of the beam port pairs are combined using magic tees to provide a sum and a difference signal which can be used to calculate an angular error estimate for target acquisition and tracking. This approach provides an amplitude comparison monopulse system which can be scanned in azimuth and which has a low component count, with no requirement for phase shift circuitry in the array feed lines, making it suitable for mm-wave frequencies. A 12 input (beam ports), 12 output (array ports) lens is designed using CST Microwave Studio, and the predicted results are presented.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

Spectral analysis of embolic signals

Tese de dout., Engenharia Electrónica e Computação, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2005

Optical and mechanical analysis on a biological cell in optical tweezers

La réponse mécanique d’une cellule à une force externe permet d’inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s’avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule.

Ensaios avançados com fibras ópticas = advanced characterization of optical fibers

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Qualité du sommeil et de la vigilance suite à un ajustement circadien partiel lors d’une simulation de travail de nuit.

Le travail de nuit est associé avec plusieurs problèmes de santé. Le désalignement entre la phase circadienne et le cycle éveil-sommeil cause une désynchronie interne considérée comme la principale source de ces problèmes. L’ajustement circadien au travail de nuit est proposé comme contremesure. Normalement, l’ajustement circadien complet n’est pas recommandé puisqu’il engendre un désalignement circadien lors du retour à l’horaire de jour, causant des changements de phase répétés et la désynchronie interne. L’ajustement circadien partiel est alors proposé comme compromis afin de stabiliser les rythmes circadiens des travailleurs de nuit. Cependant, l’ampleur de l’ajustement circadien partiel nécessaire à l’amélioration du sommeil et de la vigilance demeure vague. Les ajustements partiels obtenus par délai ou avance de phase sont quantifiés non seulement par la phase du début de la sécrétion de mélatonine en lumière tamisée, mais également par le recoupement de l’épisode de sécrétion de mélatonine avec les périodes d’éveil et de sommeil. Les effets sur le sommeil et la vigilance d’un petit ajustement circadien partiel significatifs sont investigués dans une simulation de travail de nuit en laboratoire pour déterminer leurs implications cliniques. Les effets modestes suggèrent qu’un petit délai de phase peut réduire l’accumulation de la dette de sommeil, alors que l’avance de phase améliore subjectivement la vigilance et l’humeur nocturne. L’ampleur absolue du changement de phase est associée à une amélioration subjective de la vigilance et de l’humeur nocturne. Des études en milieux de travail permettraient de déterminer si ces stratégies sont applicables et bénéfiques aux travailleurs de nuit.

Electron Density Determination of Laser Induced Plasma from Polymethyl Methacrylate Using Phaseshift Detection Technique

Irradiation of a Polymethyl methacrylate target using a pulsed Nd-YAG laser causes plasma formation in the vicinity of the target. The refractive index gradient due to the presence of the plasma is probed using phase-shift detection technique. The phase-shift technique is a simple but sensitive technique for the determination of laser ablation threshold of solids. The number density of laser generated plasma above the ablation threshold from Polymethyl methacrylate is calculated as a function of laser fluence. The number density varies from 2×1016 cm-3 to 2×1017 cm-3 in the fluence interval 2.8-13 J · cm-2.

Chemical gas sensors based on functionalized self-actuated piezo-resistive cantilevers

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Anwendung funktionalisierter Mikrocantilever mit integrierter bimorpher Aktuation und piezo-resistiver Detektion als chemische Gassensoren für den schnellen, tragbaren und preisgünstigen Nachweis verschiedener flüchtiger Substanzen. Besondere Beachtung erfährt die Verbesserung der Cantilever-Arbeitsleistung durch den Betrieb in speziellen Modi. Weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von spezifischen Sorptionswechselwirkungen und Anwendung von innovativen Funktionsschichten, die bedeutend auf die Sensorselektivität wirken.