Clasificación de frutos por su calidad interna mediante espectroscopia láser de reflectancia con resolución temporal (TDRS).

La determinación no destructiva de la calidad interna de la fruta ha sido un objetivo prioritario en las investigaciones recientes (Abbott, 1999). La espectroscopia en el infrarrojo (NIR) es aplicable a la cuantificación de compuestos químicos en alimentos; por otro lado se ha comprobado que el uso de láseres es interesante para la estimación no destructiva de la firmeza de los frutos. Sin embargo estas técnicas ópticas más tradicionales tienen el inconveniente de que miden la intensidad de luz transmitida sin poder diferenciar el efecto de la absorción óptica del efecto de la dispersión espacial que sufre la luz en el interior de los tejidos, lo cual dificulta la estimación independiente de aspectos físicos y químicos. La espectroscopia con resolución temporal es una técnica óptica desarrollada para el diagnóstico en medicina, que permite diferenciar ambos fenómenos (absorción y dispersión), proporcionando una caracterización óptica completa de los tejidos. El objetivo del presente trabajo ha sido la aplicación de esta técnica a frutas y hortalizas, y el desarrollo de modelos matemáticos de estimación no destructiva de su calidad interna para su uso en procesos de clasificación.

Tendencias y perspectivas en las comunicaciones ópticas

El autor expone diversos puntos a considerar a la hora de hacer una adecuada elección de los medios emisores de radiación, como la longitud de onda a transmitir, la posibilidad de fácil modulación de la señal emitida y las características de los pulsos transmitidos. Se analizan los dos principales candidatos como emisores de luz: los láseres basados en el AsGa y los que están basados en el Nd.

Nueva tecnología para la separación de gases atmosféricos y captura de dióxido de carbono por aplicación de campos electromagnéticos y fotoionización

Son numerosos los expertos que predicen que hasta pasado 2050 no se utilizarán masivamente las energías de origen renovable, y que por tanto se mantendrá la emisión de dióxido de carbono de forma incontrolada. Entre tanto, y previendo que este tipo de uso se mantenga hasta un horizonte temporal aún más lejano, la captura, concentración y secuestro o reutilización de dióxido de carbono es y será una de las principales soluciones a implantar para paliar el problema medioambiental causado. Sin embargo, las tecnologías existentes y en desarrollo de captura y concentración de este tipo de gas, presentan dos limitaciones: las grandes cantidades de energía que consumen y los grandes volúmenes de sustancias potencialmente dañinas para el medioambiente que producen durante su funcionamiento. Ambas razones hacen que no sean atractivas para su implantación y uso de forma extensiva. La solución planteada en la presente tesis doctoral se caracteriza por la ausencia de residuos producidos en la operación de captura y concentración del dióxido de carbono, por no utilizar substancias químicas y físicas habituales en las técnicas actuales, por disminuir los consumos energéticos al carecer de sistemas móviles y por evitar la regeneración química y física de los materiales utilizados en la actualidad. Así mismo, plantea grandes retos a futuras innovaciones sobre la idea propuesta que busquen fundamentalmente la disminución de la energía utilizada durante su funcionamiento y la optimización de sus componentes principales. Para conseguir el objetivo antes citado, la presente tesis doctoral, una vez establecido el planteamiento del problema al que se busca solución (capítulo 1), del estudio de las técnicas de separación de gases atmosféricos utilizadas en la actualidad, así como del de los sistemas fundamentales de las instalaciones de captura y concentración del dióxido de carbono (capítulo 2) y tras una definición del marco conceptual y teórico (capítulo 3), aborda el diseño de un prototipo de ionización fotónica de los gases atmosféricos para su posterior separación electrostática, a partir del estudio, adaptación y mejora del funcionamiento de los sistemas de espectrometría de masas. Se diseñarán y desarrollarán los sistemas básicos de fotoionización, mediante el uso de fuentes de fotones coherentes, y los de separación electrostática (capítulo 4), en que se basa el funcionamiento de este sistema de separación de gases atmosféricos y de captura y concentración de dióxido de carbono para construir un prototipo a nivel laboratorio. Posteriormente, en el capítulo 5, serán probados utilizando una matriz experimental que cubra los rangos de funcionamiento previstos y aporte suficientes datos experimentales para corregir y desarrollar el marco teórico real, y con los que se pueda establecer y corregir un modelo físico– matemático de simulación (capítulo 6) aplicable a la unidad en su conjunto. Finalmente, debido a la utilización de unidades de ionización fotónica, sistemas láseres intensos y sistemas eléctricos de gran potencia, es preciso analizar el riesgo biológico a las personas y al medioambiente debido al impacto de la radiación electromagnética producida (capítulo 7), minimizando su impacto y cumpliendo con la legislación vigente. En el capítulo 8 se planteará un diseño escalable a tamaño piloto de la nueva tecnología propuesta y sus principales modos de funcionamiento, así como un análisis de viabilidad económica. Como consecuencia de la tesis doctoral propuesta y del desarrollo de la unidad de separación atmosférica y de captura y concentración de dióxido de carbono, surgen diversas posibilidades de estudio que pueden ser objeto de nuevas tesis doctorales y de futuros desarrollos de ingeniería. El capítulo 9 tratará de incidir en estos aspectos indicando líneas de investigación para futuras tesis y desarrollos industriales. ABSTRACT A large number of experts predict that until at least 2050 renewable energy sources will not be massively used, and for that reason, current Primary Energy sources based on extensive use of fossil fuel will be used maintaining out of control emissions, Carbon Dioxide above all. Meanwhile, under this scenario and considering its extension until at least 2050, Carbon Capture, Concentration, Storage and/or Reuse is and will be one of the main solutions to minimise Greenhouse Gasses environmental effect. But, current Carbon Capture and Storage technology state of development has two main problems: it is a too large energy consuming technology and during normal use it produces a large volume of environmentally dangerous substances. Both reasons are limiting its development and its extensive use. This Ph Degree Thesis document proposes a solution to get the expected effect using a new atmospheric gasses separation system with the following characteristics: absence of wastes produced, it needs no chemical and/or physical substances during its operation, it reduces to minimum the internal energy consumptions due to absence of mobile equipment and it does not need any chemical and/or physical regeneration of substances. This system is beyond the State of the Art of current technology development. Additionally, the proposed solution raises huge challenges for future innovations of the proposed idea finding radical reduction of internal energy consumption during functioning, as well as regarding optimisation of main components, systems and modes of operation. To achieve this target, once established the main problem, main challenge and potential solving solutions (Chapter 1), it is established an initial starting point fixing the Atmospheric Gasses Separation and Carbon Capture and Storage developments (Chapter 2), as well as it will be defined the theoretical and basic model, including existing and potential new governing laws and mathematical formulas to control its system functioning (Chapter 3), this document will deal with the design of an installation of an operating system based on photonic ionization of atmospheric gasses to be separated in a later separation system based on the application of electrostatic fields. It will be developed a basic atmospheric gasses ionization prototype based on intense radioactive sources capable to ionize gasses by coherent photonic radiation, and a basic design of electrostatic separation system (Chapter 4). Both basic designs are the core of the proposed technology that separates Atmospheric Gasses and captures and concentrates Carbon Dioxide. Chapter 5 will includes experimental results obtained from an experimental testing matrix covering expected prototype functioning regimes. With the obtained experimental data, theoretical model will be corrected and improved to act as the real physical and mathematical model capable to simulate real system function (Chapter 6). Finally, it is necessary to assess potential biological risk to public and environment due to the proposed use of units of intense energy photonic ionization, by laser beams or by non–coherent sources and large electromagnetic systems with high energy consumption. It is necessary to know the impact in terms of and electromagnetic radiation taking into account National Legislation (Chapter 7). On Chapter 8, an up scaled pilot plant will be established covering main functioning modes and an economic feasibility assessment. As a consequence of this PhD Thesis, a new field of potential researches and new PhD Thesis are opened, as well as future engineering and industrial developments (Chapter 9).

El láser. Teoría y aplicaciones. 2ª parte

En la primera charla ofrecida por Martín Pereda se indican algunas de las disposiciones de los elementos que constituyen una cavidad láser, centrándose especialmente en el caso de láseres de bombeo óptico. La segunda charla versa sobre los osciladores láser.

Propiedades Ópticas de los Materiales Activos en Diodos Láser con Confinamiento Cuántico

En esta tesis se recoge el trabajo experimental realizado para la caracterización de las propiedades ópticas en diodos láser construidos con estructuras basadas en pozos cuánticos (QW) y puntos cuánticos (QD). Las propiedades que se han estudiado en estos dispositivos son los espectros de ganancia, ganancia diferencial, índice diferencial y factor de ensanchamiento de línea (LEF). La comprensión de estas propiedades es de especial importancia para el diseño de nuevos diodos láser destinados a ser utilizados en aplicaciones exigentes como son las comunicaciones ópticas o aplicaciones médicas. El estudio se ha llevado a cabo en muestras de diodos láser suministrados por diferentes fabricantes: Ferdinand Braun Institut für Hóchstfrequenztechnik, Thales Research and Technology y la Universidad de Würzburg. Debido a esto las muestras de los láseres se han suministrado en diferentes configuraciones, utilizándose tanto dispositivos con cavidades de área ancha como de tipo caballete (“ridge”). En los trabajos se ha realizado el diseño y la construcción de los montajes experimentales y la implementación de los métodos analíticos necesarios para el estudio de las diferentes muestras. En los montajes experimentales se han implementado procesos para el filtrado espacial de los modos laterales de la cavidad presentes en los láseres de área ancha. Los métodos analíticos implementados se han utilizado para reducir los errores existentes en los sistemas de medida, mejorar su precisión y para separar la variación de índice en debida al calentamiento y la variación de corriente cuando los láseres operan en continua. El estudio sistemático de las propiedades de ópticas de los diodos láser basados en QW y QD ha permitido concluir que propiedades como el factor de ensanchamiento de línea no tienen por qué ser necesariamente inferiores en estos últimos, ya que dependen de las condiciones de inyección. En los láseres de QW se ha observado experimentalmente una reducción del factor de ensanchamiento de línea al alcanzarse la segunda transición, debido al aumento de la ganancia diferencial. ABSTRACT This thesis includes the experimental work for the characterization of optical properties of quantum well (QW) and quantum dot (QD) laser diodes. The properties that have been studied in these devices are the gain, differential gain, differential index and the linewith enhancement factor (LEF). The understating of these properties is of special importance for the design of new laser diodes to be used in exigent applications such as optical communications or medical applications. The study has been carried out using laser samples supplied by different manufacturers: Ferdinand Braun Institut fu¨r H¨ochstfrequenztechnik, Thales Research and Technology and the University of Wu¨rzburg. Because of this the laser samples were supplied in various configurations, using both broad area and ridge devices. In the work it has been done the design and construction of the experimental setups and implementation of analytical methods required for the study of the different devices. In the experimental set-ups it has been implemented a spatial filtering process to remove the lateral modes present in broad area lasers. The implemented analytical methods has been used to reduce the experimental errors in the measurement systems, improve the accuracy and separate the index variation caused by heating and current variation when the lasers operated on continuous wave. The systematic study of the optical properties of the QW and QD laser diodes has allowed concluding that properties such the linewith enhancement factor does not have to be necessary to be lower in the QD devices, since it is dependent on the injections conditions. In this work it has been experimentally observed a reduction of the linewith enhancement factor where the second transition has been reached mainly due to in the increased of the differential gain which is observed in this situation.

Modelado de un sistema de telemetría LIDAR CW-RM

Los sistemas LIDAR (Light Detection and Ranging) permiten medir la distancia entre dos puntos, evaluando el tiempo que tarda una señal óptica (generalmente procedente de un Láser) en hacer un recorrido de ida y vuelta entre dichos puntos. En los sistemas CW-RM (Continuous Wave - Random Modulated) esta evaluación se hace calculando la correlación entre la señal emitida (pseudoaleatoria) y la recibida (cuyo retardo depender de la distancia entre los puntos). Este sistema CW-RM tiene la ventaja sobre los TOF (Time Of Flight) de que funcionan bien ún con señales recibidas de reducida relación señal a ruido. La precisión de la medida, depende, entre otros parámetros, del tiempo de bit de la secuencia pseudoaleatoria y de la frecuencia de muestreo del sistema que capta las señales y posteriormente las correla. El objetivo del presente trabajo es realizar un sistema de gran precisión, utilizando señales pseudoaleatorias de tiempo de bit de centenas de pico segundo y frecuencia de muestreo de Gs/s, para lo que deberemos utilizar equipamiento disponible en laboratorio, as mismo deberemos seleccionar y con guiar los láseres emisores para que puedan trabajar a estas velocidades. La primera etapa del proyecto será el conocimiento del instrumental de laboratorio que vamos a utilizar en el set-up. La segunda etapa será la realización de un primer montaje en el que se conectará emisor y receptor a través de una fibra óptica de longitud conocida. Esto nos permitir á el desarrollo de algoritmos para extraer información de la medida y para una calibración del instrumental para posteriores medidas. La tercera etapa es el diseño definitivo con emisor al aire para el que tendremos que ajustar todos los elementos ópticos del sistema, de modo que se pueda detectar la luz reflejada y además se pueda reducir parte de la luz de background.

Páginas para una historia de las comunicaciones ópticas y la fotónica

Este trabajo es el resultado de una parte del curso "Fundamentos Electrónicos de las Comunicaciones" (2001) que los Departamentos del Área de "Tecnología Electrónica" de la ETSIT UPM llevan Impartiendo, con carácter de asignatura Optativa, durante los últimos tres años. El material recogido a los largo de estos años se ha ido acumulando en una larga serie de transparencias que están esperando adquirir la forma de un breve texto escrito. Antes de que esto se convierta en realidad el autor ha creído conveniente hacer un pequeño ensayo con el presente fascículo. En él ha recogido parte de las antedichas transparencias y algunos capítulos ya parcialmente concluidos. El material, como un todo, es bastante heterogéneo. Su contenido se centra en la parte que le correspondía en el curso: la relacionada con las Comunicaciones Ópticas y la Fotónica. Una parte, la que se refiere a la historia de los primeros láseres de semiconductor, si no concluida, si está ya parcialmente delimitada. Es la primera que ha escrito porque de ella hay muy poco en los libros más usuales. Otra parte, la correspondiente al inicio de las comunicaciones ópticas, está escrita pero solo como borrador. El resto está constituido por parte de las transparencias que José Antonio Martín Pereda ha venido usando; su apoyo es más gráfico que escrito. De ellas deberá generarse un texto más completo.

Characterization of spatial–temporal patterns in dynamic speckle sequences using principal component analysis

Abstract. Speckle is being used as a characterization tool for the analysis of the dynamics of slow-varying phenomena occurring in biological and industrial samples at the surface or near-surface regions. The retrieved data take the form of a sequence of speckle images. These images contain information about the inner dynamics of the biological or physical process taking place in the sample. Principal component analysis (PCA) is able to split the original data set into a collection of classes. These classes are related to processes showing different dynamics. In addition, statistical descriptors of speckle images are used to retrieve information on the characteristics of the sample. These statistical descriptors can be calculated in almost real time and provide a fast monitoring of the sample. On the other hand, PCA requires a longer computation time, but the results contain more information related to spatial–temporal patterns associated to the process under analysis. This contribution merges both descriptions and uses PCA as a preprocessing tool to obtain a collection of filtered images, where statistical descriptors are evaluated on each of them. The method applies to slow-varying biological and industrial processes.

Measurement limitations in knife-edge tomographic phase retrieval of focused IR laser beams

An experimental setup to measure the three-dimensional phase-intensity distribution of an infrared laser beam in the focal region has been presented. It is based on the knife-edge method to perform a tomographic reconstruction and on a transport of intensity equation-based numerical method to obtain the propagating wavefront. This experimental approach allows us to characterize a focalized laser beam when the use of image or interferometer arrangements is not possible. Thus, we have recovered intensity and phase of an aberrated beam dominated by astigmatism. The phase evolution is fully consistent with that of the beam intensity along the optical axis. Moreover, this method is based on an expansion on both the irradiance and the phase information in a series of Zernike polynomials. We have described guidelines to choose a proper set of these polynomials depending on the experimental conditions and showed that, by abiding these criteria, numerical errors can be reduced.

Micromachined silicon lenses for terahertz applications

Silicon microlenses are a very important tool for coupling terahertz (THz) radiation into antennas and detectors in integrated circuits. They can be used in a large array structures at this frequency range reducing considerably the crosstalk between the pixels. Drops of photoresist have been deposited and their shape transferred into the silicon by means of a Reactive Ion Etching (RIE) process. Large silicon lenses with a few mm diameter (between 1.5 and 4.5 mm) and hundreds of μm height (between 50 and 350 μm) have been fabricated. The surface of such lenses has been characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM), resulting in a surface roughness of about ∼3 μm, good enough for any THz application. The beam profile at the focal plane of such lenses has been measured at a wavelength of 10.6 μm using a tomographic knife-edge technique and a CO2 laser.

Characterization of dynamic speckle sequences using principal component analysis and image descriptors

Speckle is being used as a characterization tool for the analysis of the dynamic of slow varying phenomena occurring in biological and industrial samples. The retrieved data takes the form of a sequence of speckle images. The analysis of these images should reveal the inner dynamic of the biological or physical process taking place in the sample. Very recently, it has been shown that principal component analysis is able to split the original data set in a collection of classes. These classes can be related with the dynamic of the observed phenomena. At the same time, statistical descriptors of biospeckle images have been used to retrieve information on the characteristics of the sample. These statistical descriptors can be calculated in almost real time and provide a fast monitoring of the sample. On the other hand, principal component analysis requires longer computation time but the results contain more information related with spatial-temporal pattern that can be identified with physical process. This contribution merges both descriptions and uses principal component analysis as a pre-processing tool to obtain a collection of filtered images where a simpler statistical descriptor can be calculated. The method has been applied to slow-varying biological and industrial processes

Solderjet bumping technique used to manufacture a compact and robust green solid-state laser

Solder-joining using metallic solder alloys is an alternative to adhesive bonding. Laser-based soldering processes are especially well suited for the joining of optical components made of fragile and brittle materials such as glasses, ceramics and optical crystals due to a localized and minimized input of thermal energy. The Solderjet Bumping technique is used to assemble a miniaturized laser resonator in order to obtain higher robustness, wider thermal conductivity performance, higher vacuum and radiation compatibility, and better heat and long term stability compared with identical glued devices. The resulting assembled compact and robust green diode-pumped solid-state laser is part of the future Raman Laser Spectrometer designed for the Exomars European Space Agency (ESA) space mission 2018.

The optical design of a far infrared imaging FTS for SPICA

This paper describes the optical design of the far infrared imaging spectrometer for the JAXA's SPICA mission. The SAFARI instrument, is a cryogenic imaging Fourier transform spectrometer (iFTS), designed to perform backgroundlimited spectroscopic and photometric imaging in the band 34-210 μm. The all-reflective optical system is highly modular and consists of three main modules; input optics module, interferometer module (FTS) and camera bay optics. A special study has been dedicated to the spectroscopic performance of the instrument, in which the spectral response and interference of the instrument have been modeled, as the FTS mechanism scans over the total desired OPD range.