Femtosecond pulse shaping using differential evolutionary algorithm and wavelet operators

Evolutionary meta-algorithms for pulse shaping of broadband femtosecond duration laser pulses are proposed. The genetic algorithm searching the evolutionary landscape for desired pulse shapes consists of a population of waveforms (genes), each made from two concatenated vectors, specifying phases and magnitudes, respectively, over a range of frequencies. Frequency domain operators such as mutation, two-point crossover average crossover, polynomial phase mutation, creep and three-point smoothing as well as a time-domain crossover are combined to produce fitter offsprings at each iteration step. The algorithm applies roulette wheel selection; elitists and linear fitness scaling to the gene population. A differential evolution (DE) operator that provides a source of directed mutation and new wavelet operators are proposed. Using properly tuned parameters for DE, the meta-algorithm is used to solve a waveform matching problem. Tuning allows either a greedy directed search near the best known solution or a robust search across the entire parameter space.

Terahertz deconvolution

The ability to retrieve information from different layers within a stratified sample using terahertz pulsed reflection imaging and spectroscopy has traditionally been resolution limited by the pulse width available. In this paper, a deconvolution algorithm is presented which circumvents this resolution limit, enabling deep sub-wavelength and sub-pulse width depth resolution. The algorithm is explained through theoretical investigation, and demonstrated by reconstructing signals reflected from boundaries in stratified materials that cannot be resolved directly from the unprocessed time-domain reflection signal. Furthermore, the deconvolution technique has been used to recreate sub-surface images from a stratified sample: imaging the reverse side of a piece of paper.

Multivariate analysis of the dielectric response of materials modeled using networks of resistors and capacitors

We discuss the modeling of dielectric responses of electromagnetically excited networks which are composed of a mixture of capacitors and resistors. Such networks can be employed as lumped-parameter circuits to model the response of composite materials containing conductive and insulating grains. The dynamics of the excited network systems are studied using a state space model derived from a randomized incidence matrix. Time and frequency domain responses from synthetic data sets generated from state space models are analyzed for the purpose of estimating the fraction of capacitors in the network. Good results were obtained by using either the time-domain response to a pulse excitation or impedance data at selected frequencies. A chemometric framework based on a Successive Projections Algorithm (SPA) enables the construction of multiple linear regression (MLR) models which can efficiently determine the ratio of conductive to insulating components in composite material samples. The proposed method avoids restrictions commonly associated with Archie’s law, the application of percolation theory or Kohlrausch-Williams-Watts models and is applicable to experimental results generated by either time domain transient spectrometers or continuous-wave instruments. Furthermore, it is quite generic and applicable to tomography, acoustics as well as other spectroscopies such as nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance and, therefore, should be of general interest across the dielectrics community.

Terahertz pulse imaging of stratified architectural materials for cultural heritage studies

Terahertz pulse imaging (TPI) is a novel noncontact, nondestructive technique for the examination of cultural heritage artifacts. It has the advantage of broadband spectral range, time-of-flight depth resolution, and penetration through optically opaque materials. Fiber-coupled, portable, time-domain terahertz systems have enabled this technique to move out of the laboratory and into the field. Much like the rings of a tree, stratified architectural materials give the chronology of their environmental and aesthetic history. This work concentrates on laboratory models of stratified mosaics and fresco paintings, specimens extracted from a neolithic excavation site in Catalhoyuk, Turkey, and specimens measured at the medieval Eglise de Saint Jean-Baptiste in Vif, France. Preparatory spectroscopic studies of various composite materials, including lime, gypsum and clay plasters are presented to enhance the interpretation of results and with the intent to aid future computer simulations of the TPI of stratified architectural material. The breadth of the sample range is a demonstration of the cultural demand and public interest in the life history of buildings. The results are an illustration of the potential role of TPI in providing both a chronological history of buildings and in the visualization of obscured wall paintings and mosaics.

Terahertz pulse investigation of paleolithic wall etchings

Results are presented of an examination of flow rock-covered Paleoloithic cave art using time-domain terahertz reflectometry.

Terahertz pulse imaging in archaeology

The work presented in this article was performed at the Oriental Institute at the University of Chicago, on objects from their permanent collection: an ancient Egyptian bird mummy and three ancient Sumerian corroded copper-alloy objects. We used a portable, fiber-coupled terahertz time-domain spectroscopic imaging system, which allowed us to measure specimens in both transmission and reflection geometry, and present time- and frequency-based image modes. The results confirm earlier evidence that terahertz imaging can provide complementary information to that obtainable from x-ray CT scans of mummies, giving better visualisation of low density regions. In addition, we demonstrate that terahertz imaging can distinguish mineralized layers in metal artifacts.

Coda wave attenuation in the Parecis Basin, Amazon Craton, Brazil: sensitivity to basement depth

Small local earthquakes from two aftershock sequences in Porto dos GaA(0)chos, Amazon craton-Brazil, were used to estimate the coda wave attenuation in the frequency band of 1 to 24 Hz. The time-domain coda-decay method of a single backscattering model is employed to estimate frequency dependence of the quality factor (Q (c)) of coda waves modeled usingwhere Q (0) is the coda quality factor at frequency of 1 Hz and eta is the frequency parameter. We also used the independent frequency model approach (Morozov, Geophys J Int, 175:239-252, 2008), based in the temporal attenuation coefficient, chi(f) instead of Q(f), given by the equation for the calculation of the geometrical attenuation (gamma) and effective attenuation Q (c) values have been computed at central frequencies (and band) of 1.5 (1-2), 3.0 (2-4), 6.0 (4-8), 9.0 (6-12), 12 (8-16), and 18 (12-24) Hz for five different datasets selected according to the geotectonic environment as well as the ability to sample shallow or deeper structures, particularly the sediments of the Parecis basin and the crystalline basement of the Amazon craton. For the Parecis basin for the surrounding shield and for the whole region of Porto dos GaA(0)chos Using the independent frequency model, we found: for the cratonic zone, gamma = 0.014 s (-aEuro parts per thousand 1), nu a parts per thousand 1.12; for the basin zone with sediments of similar to 500 m, gamma = 0.031 s (-aEuro parts per thousand 1), nu a parts per thousand 1.27; and for the Parecis basin with sediments of similar to 1,000 m, gamma = 0.047 s (-aEuro parts per thousand 1), nu a parts per thousand 1.42. Analysis of the attenuation factor (Q (c)) for different values of the geometrical spreading parameter (nu) indicated that an increase of nu generally causes an increase in Q (c), both in the basin as well as in the craton. But the differences in the attenuation between different geological environments are maintained for different models of geometrical spreading. It was shown that the energy of coda waves is attenuated more strongly in the sediments, (in the deepest part of the basin), than in the basement, (in the craton). Thus, the coda wave analysis can contribute to studies of geological structures in the upper crust, as the average coda quality factor is dependent on the thickness of sedimentary layer.

Fermion perturbations in string theory black holes

In this paper we study fermion perturbations in four-dimensional black holes of string theory, obtained either from a non-extreme configuration of three intersecting five-branes with a boost along the common string or from a non-extreme intersecting system of two two-branes and two five-branes. The Dirac equation for the massless neutrino field, after conformal re-scaling of the metric, is written as a wave equation suitable to study the time evolution of the perturbation. We perform a numerical integration of the evolution equation, and with the aid of Prony fitting of the time-domain profile, we calculate the complex frequencies that dominate the quasinormal ringing stage, and also determine these quantities by the semi-analytical sixth-order WKB method. We also find numerically the decay factor of fermion fields at very late times, and show that the falloff is identical to those showing for massless fields in other four-dimensional black hole spacetimes.

Measurement of Rydberg state lifetimes using cold trapped neutral atoms

In this paper, I review some recent high-precision Rydberg state lifetime measurements using a cold-trapped sample of neutral atoms held in a magneto-optical trap. The measurements were performed in rubidium for the S, P and D states varying the principal quantum number from n = 26 to 45 using the field ionization technique. The experimental results were compared with quantum mechanical calculations and good agreement was observed. This is an important demonstration of how cold atomic samples can be used to perform high-precision spectroscopy in the time domain.

Room Temperature Ionic Liquid-Lithium Salt Mixtures: Optical Kerr Effect Dynamical Measurements

The addition of lithium salts to ionic liquids causes an increase in viscosity and a decrease in ionic mobility that hinders their possible application as an alternative solvent in lithium ion batteries. Optically heterodyne-detected optical Kerr effect spectroscopy was used to study the change in dynamics, principally orientational relaxation, caused by the addition of lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide to the ionic liquid 1-buty1-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide. Over the time scales studied (1 ps-16 ns) for the pure ionic liquid, two temperature-independent power laws were observed: the intermediate power law (1 ps to similar to 1 ns), followed by the von Schweidler power law. The von Schweidler power law is followed by the final complete exponential relaxation, which is highly sensitive to temperature. The lithium salt concentration, however, was found to affect both power laws, and a discontinuity could be found in the trend observed for the intermediate power law when the concentration (mole fraction) of lithium salt is close to chi(LiTf(2)N) = 0.2. A mode coupling theory (MCT) schematic model was also used to fit the data for both the pure ionic liquid and the different salt concentration mixtures. It was found that dynamics in both types of liquids are described very well by MCT.

Effects of Extrusion on the Emulsifying Properties of Rumen and Soy Protein

Defatted rumen protein and soy protein concentrate were extruded in a 15.5:1 L/D single-screw extruder at the optimum conditions for their expansion (150A degrees C and 35% moisture, and 130A degrees C and 35% moisture, respectively). Emulsions were produced with these proteins and studied by rheology and time domain low-resolution (1)H nuclear magnetic resonance (TD-NMR). Extrusion increased storage modulus of rumen protein emulsions. The opposite was observed for soy protein. Mechanical relaxation showed the existence of three relaxing components in the emulsions whose relative contributions were changed by extrusion. Likewise, spin-spin relaxation time constants (T (2)) measured by TD-NMR also showed three major distinct populations of protons in respect to their mobility that were also altered by extrusion. Extrusion increased surface hydrophobicity of both rumen and soy protein. Solubility of rumen protein increased with extrusion whereas soy protein had its solubility decreased after processing. Extrusion promoted molecular reorganization of protein, increasing its superficial hydrophobicity, affecting its interfacial properties and improving its emulsifying behavior. The results show that extrusion can promote the use of rumen, a by-product waste from the meat industry, in human nutrition by replacing soy protein in food emulsions.

Análise dinâmica de solos submetidos à ação simultânea das três componentes da excitação na base rochosa

Durante a análise sísmica de estruturas complexas, o modelo matemático empregado deveria incluir não só as distribuicões irregulares de massas e de rigidezes senão também à natureza tridimensional da ecitação sísmica. Na prática, o elevado número de graus de liberdade involucrado limita este tipo de análise à disponibilidade de grandes computadoras. Este trabalho apresenta um procedimento simplificado, para avaliar a amplificação do movimento sísmico em camadas de solos. Sua aplicação permitiria estabelecer critérios a partir dos quais avalia-se a necessidade de utilizar modelos de interação solo-estrutura mais complexos que os utilizados habitualmente. O procedimento proposto possui as seguientes características : A- Movimento rígido da rocha definido em termos de três componentes ortagonais. Direção de propagação vertical. B- A ecuação constitutiva do solo inclui as características de não linearidade, plasticidade, dependência da história da carga, dissipação de energia e variação de volume. C- O perfil de solos é dicretizado mediante um sistema de massas concentradas. Utiliza-se uma formulação incremental das equações de movimento com integração directa no domínio do tempo. As propriedades pseudo-elásticas do solo são avaliadas em cada intervalo de integração, em função do estado de tensões resultante da acção simultânea das três componentes da excitação. O correcto funcionamento do procedimento proposto é verificado mediante análises unidimensionais (excitação horizontal) incluindo estudos comparativos com as soluções apresentadas por diversos autores. Similarmente apresentam-se análises tridimensionais (acção simultânea das três componentes da excitação considerando registros sísmicos reais. Analisa-se a influência que possui a dimensão da análise (uma análise tridimensional frente a três análises unidimensionais) na resposta de camadas de solos submetidos a diferentes níveis de exçitação; isto é, a limitação do Princípio de Superposisão de Efeitos.

Estimulação colinérgica com piridostigmina reduz arritmia ventricular e aumenta a variabilidade da frequência cardíaca em pacientes com insuficiência cardíaca

INTRODUÇÃO. O aumento da densidade de arritmia ventricular e a redução da variabilidade da freqüência cardíaca estão associados com risco de morte súbita e mortalidade total em insuficiência cardíaca. A inibição colinesterásica com brometo de piridostigmina (PIR) aumenta a variabilidade da freqüência de pessoas normais, porém seu efeito em pacientes com insuficiência cardíaca é desconhecido. OBJETIVOS. Testar a hipótese de que a administração a curto prazo de piridostigmina reduz a densidade de arritmia ventricular e aumenta a variabilidade da freqüência cardíaca em pacientes com insuficiência cardíaca. MÉTODOS. Pacientes com insuficiência cardíaca e em ritmo sinusal participaram de um estudo duplo-cego, cruzado, randomizado para placebo e piridostigmina (30mg VO de 8 em 8 horas por 2 dias). Monitorização eletrocardiográfica ambulatorial de 24 horas foi realizada para análise de arritmia e para avaliação dos índices do domínio do tempo da variabilidade da freqüência cardíaca. Pacientes foram separados em 2 grupos, de acordo com a densidade de arritmia ventricular. O grupo Arritmia (n = 11) incluiu pacientes com mais de 10 extrassístoles ventriculares por hora (ESV/h), e o grupo Variabilidade da Freqüêcia Cardíaca (n = 12) incluiu pacientes com um número de ESVs em 24 horas que não excedia 1 % do número total de intervalos RR. RESULTADOS. No grupo Arritmia, PIR resultou em uma redução de 65% no número de extrassístoles ventriculares (Placebo 266 + 56 ESV/h vs. PIR 173 + 49 ESV/h; p = 0,03). No grupo da Variabilidade da Freqüência Cardíaca, a administração de PIR resultou em um aumento do intervalo RR médio (Placebo 733 + 22 ms vs PIR 790 + 33 ms; p = 0,01), e nos índices do domínio do tempo da variabilidade da freqüência cardíaca PNN50 (Placebo 3 + 1,1 % vs PIR 6 + 1,6 %; p = 0,03) e RMSSD (Placebo 21 + 2 vs PIR 27 + 3; p = 0,008). CONCLUSÃO. Em pacientes com insuficiência cardíaca, PIR reduziu a densidade de arritmia ventricular e aumentou a VFC, provavelmente por seu efeito colinomimético. Estudos a longo prazo com PIR em insuficiência cardíaca devem ser realizados.

Isquemia silenciosa e arritmias ventriculares são preditores independentes de evenos no pós-infarto do miocárdio de baixo risco

pós-infarto agudo do miocárdio (IAM) têm mostrado baixo valor preditivo positivo quando estudados isoladamente. A possibilidade da Eletrocardiografia Dinâmica de 24 horas (ECGD) fornecer dados referentes a isquemia silenciosa (IS), arritmias ventriculares e modulação autonômica do coração pelo estudo da variabilidade da freqüência cardíaca (VFC), levou o autor a empregar este método em pacientes acometidos de IAM com o objetivo de avaliar se estas três variáveis estariam relacionadas a presença de eventos desfavoráveis em evolução a médio prazo. Material e Métodos – Foram selecionados 91 pacientes acometidos de um primeiro IAM não-complicado e realizados exames de ECGD de 24 h por dois dias consecutivos, antes da alta hospitalar. Os parâmetros pesquisados nos exames foram: isquemia silenciosa, identificação e quantificação de arritmias ventriculares e determinação dos índices de VFC pelos métodos do domínio do tempo e do mapa de retorno tridimensional. Foram considerados como desfechos: re-infarto, angina instável, taquicardia ventricular sustentada e morte. Resultados – No seguimento médio de 27,7 meses (DP=15,45), 23 (25%) dos pacientes apresentaram eventos, sendo nove fatais. Os eventos foram mais freqüentes entre os pacientes que apresentaram extra-sístoles ventriculares ≥10/hora (p=0,01) e também naqueles com IS (p=0,02). Em modelo de análise multifatorial, a presença de dislipidemia elevou o valor preditivo positivo dessas variáveis. Nenhum dos índices de VFC esteve significativamente relacionado ao surgimento de eventos. Conclusões – Em pacientes pós-IAM de baixo risco, a presença de arritmias ventriculares freqüentes ou de isquemia silenciosa está relacionada a um prognóstico desfavorável. O estudo da VFC não mostrou utilidade na estratificação de risco destes pacientes.

Disfunção autonômica e doença vascular periférica em pacientes com diabete melito tipo 2

A disfunção autonômica está associada com aumento da mortalidade em pacientes diabéticos, especialmente naqueles com doença cardiovascular. Neuropatia periférica, mau controle glicêmico, dislipidemia e hipertensão são alguns dos fatores de risco para o desenvolvimento de doença vascular periférica (DVP) nestes pacientes. O objetivo deste estudo foi avaliar os fatores de risco associados com a presença de DVP em pacientes com DM tipo 2. Um estudo transversal foi realizado em 84 pacientes com DM tipo 2 ( 39 homens, idade média de 64,9 ± 7,5 anos). Os pacientes foram submetidos a uma avaliação clínica e laboratorial. A presença de DVP foi definida, utilizando-se um um aparelho manual de ultrasom com doppler (índice perna-braço < 0,9). A atividade autonômica foi avaliada através da análise da variabilidade da freqüência cardíaca (HRV) por métodos no domínio do tempo e da freqüência (análise espectral), e pelo mapa de retorno tridimensional durante o período do dia e da noite. Para a análise da HRV, um eletrocardiograma de 24 horas foi gravado e as fitas analisadas em um analisador de Holter Mars 8000 (Marquete). A potência espectral foi quantificada pela área em duas bandas de freqüência: 0,04-0,15 Hz – baixa freqüência (BF), 0,015-0,5 Hz – alta freqüência (AF). A razão BF/AF foi calculada em cada paciente. O mapa de retorno tridimensional foi construído através de um modelo matemático onde foram analisados os intervalos RR versus a diferença entre os intervalos RR adjacentes versus o número de contagens verificadas, e quantificado por três índices refletindo a modulação simpática (P1) e vagal (P2 e P3). DVP estava presente em 30 (36%) pacientes. Na análise univariada, pacientes com DVP apresentaram índices que refletem a modulação autonômica (análise espectral) diminuídos quando comparados aos pacientes sem DVP, respectivamente: BF = 0,19 ± 0,07 m/s2 vs. 0,29 ± 0,11 m/s2 P = 0,0001; BF/AF = 1,98 ± 0,9 m/s2 vs. 3,35 ± 1,83 m/s2 p = 0,001. Além disso, o índice que reflete a atividade simpática no mapa de retorno tridimensional (P1), foi mais baixo em pacientes com DVP (61,7 ± 9,4 vs. 66,8 ± 9,7 unidades arbitrárias, P = 0,04) durante a noite, refletindo maior ativação simpática neste período. Estes pacientes também apresentavam uma maior duração do diabetes (20 ± 8,1 vs. 15,3 ± 6,7 anos, P = 0,006), níveis de pressão arterial sistólica (154 ± 20 vs. 145 ± 20 mmHg, P = 0,04), razão cintura-quadril ( 0,98 ± 0,09 vs.0,92 ± 0,08, P = 0,01), e níveis de HbA1c mais elevados (7,7 ± 1,6 vs. 6,9 ± 1,7 %, P = 0,04), bem como valores de triglicerídeos ( 259 ± 94 vs. 230 ± 196 mg/dl, P= 0,03) e de excreção urinária de albumina ( 685,5 ± 1359,9 vs. 188,2 ± 591,1 μ/min, P = 0,02) superiores aos dos pacientes sem DVP.. Nos pacientes com DVP observou-se uma presença aumentada de nefropatia diabética (73,3% vs. 29,6% P = 0,0001), de retinopatia (73,3% vs. 44,4% P = 0,02) e neuropatia periférica (705 vs. 35,1% P = 0,006). Os grupos não diferiram quanto à idade, índice de massa corporal, tabagismo e presença de doença arterial coronariana. Na análise logística multivariada, a DVP permaneceu associada com a disfunção autonômica, mesmo após ter sido controlada pela pressão arterial sistólica, duração do DM, HbA1c, triglicerídeos e excreção urinária de albumina. Concluindo, pacientes com DVP e DM tipo 2 apresentam índices que refletem a modulação autonômica diminuídos, o que pode representar um fator de risco adicional para o aumento da mortalidade nestes pacientes.