Probing Ferroelectrics Using Optical Second Harmonic Generation

Nonlinear optics is an essential component of modern laser systems and optoelectronic devices. It has also emerged as an important tool in probing the electronic, vibrational, magnetic, and crystallographic structure of materials ranging from oxides and metals, to polymers and biological samples. This review focuses on the specific technique of optical second harmonic generation (SHG), and its application in probing ferroelectric complex oxide crystals and thin films. As the dominant SHG interaction mechanism exists only in materials that lack inversion symmetry, SHG is a sensitive probe of broken inversion symmetry, and thus also of bulk polar phenomena in materials. By performing in-situ SHG polarimetry experiments in different experimental conditions such as sample orientation, applied electric field, and temperature, one can probe ferroelectric hysteresis loops and phase transitions. Careful modeling of the polarimetry data allows for the determination of the point group symmetry of the crystal. In epitaxial thin films with a two-dimensional arrangement of well-defined domain orientations, one can extract information about intrinsic material properties such as nonlinear coefficients, as well as microstructural information such as the local statistics of the different domain variants being probed. This review presents several detailed examples of ferroelectric systems where such measurements and modeling are performed. The use of SHG microscopic imaging is discussed, and its ability to reveal domain structures and phases not normally visible with linear optics is illustrated.

What is the best method for diagnosing glaucoma?

Glaucoma is characterized by a typical appearance of the optic disc and peripheral visual field loss. However, diagnosis may be challenging even for an experienced clinician due to wide variability among normal and glaucomatous eyes. Standard automated perimetry is routinely used to establish the diagnosis of glaucoma. However, there is evidence that substantial retinal ganglion cell damage may occur in glaucoma before visual field defects are seen. The introduction of newer imaging devices such as confocal scanning laser ophthalmoscopy, scanning laser polarimetry and optical coherence tomography for measuring structural changes in the optic nerve head and retinal nerve fiber layer seems promising for early detection of glaucoma. New functional tests may also help in the diagnosis. However, there is no evidence that a single measurement is superior to the others and a combination of tests may be needed for detecting early damage in glaucoma. © 2010 Expert Reviews Ltd.

The United Kingdom Glaucoma Treatment Study:a multicenter, randomized, placebo-controlled clinical trial: design and methodology

Elevated intraocular pressure (IOP) is a major risk factor for the deterioration of open-angle glaucoma (OAG); medical IOP reduction is the standard treatment, yet no randomized placebo-controlled study of medical IOP reduction has been undertaken previously. The United Kingdom Glaucoma Treatment Study (UKGTS) tests the hypothesis that treatment with a topical prostaglandin analog, compared with placebo, reduces the frequency of visual field (VF) deterioration events in OAG patients by 50% over a 2-year period.

Laboratory measurements of resistivity in warm dense plasmas relevant to the microphysics of brown dwarfs

Since the observation of the first brown dwarf in 1995, numerous studies have led to a better understanding of the structures of these objects. Here we present a method for studying material resistivity in warm dense plasmas in the laboratory, which we relate to the microphysics of brown dwarfs through viscosity and electron collisions. Here we use X-ray polarimetry to determine the resistivity of a sulphur-doped plastic target heated to Brown Dwarf conditions by an ultra-intense laser. The resistivity is determined by matching the plasma physics model to the atomic physics calculations of the measured large, positive, polarization. The inferred resistivity is larger than predicted using standard resistivity models, suggesting that these commonly used models will not adequately describe the resistivity of warm dense plasma related to the viscosity of brown dwarfs.

Analyse multi-échelle des champs magnétiques dans des nuages moléculaires à structures filmentaires

Associée à d'autres techniques observationnelles, la polarimétrie dans le visible ou dans le proche infrarouge permet d'étudier la morphologie des champs magnétiques à la périphérie de nombreuses régions de formation stellaire. A l'intérieur des nuages molécualires la morphologie des champs est connue par polarimétrie submillimétrique, mais rarement pour les mêmes régions. Habituellement, il manque une échelle spatiale intermédiaire pour pouvoir comparer correctement la morphologie du champ magnétique galactique avec celle située à l'intérieur des nuages moléculaires. -- Cette thèse propose les moyens nécessaires pour réaliser ce type d'analyse multi-échelle afin de mieux comprendre le rôle que peuvent jouer les champs magnétiques dans les processus de formation stellaire. La première analyse traite de la région GF 9. Vient ensuite une étude de la morphologie du champ magnétique dans les filaments OMC-2 et OMC-3 suivie d'une analyse multi-échelle dans le complexe de nuages moléculaires Orion A dont OMC-2 et OMC-3 font partie. -- La synthèse des résultats couvrant GF 9 et Orion A est la suivante. Les approches statistiques employées montrent qu'aux grandes échelles spatiales la morphologie des champs magnétiques est poloïdale dans la région GF 9, et probablement hélicoïdale dans la région Orion A. A l'échelle spatiale des enveloppes des nuages moléculaires, les champs magnétiques apparaissent alignés avec les champs situés à leur périphérie. A l'échelle spatiale des coeurs, le champ magnétique poloïdal environnant la région GF 9 est apparemment entraîné par le coeur en rotation, et la diffusion ambipolaire n'y semble pas effective actuellement. Dans Orion A, la morphologie des champs est difficilement détectable dans les sites actifs de formation d'OMC-2, ou bien très fortement contrainte par les effets de la gravité dans OMC-1. Des effets probables de la turbulence ne seont détectés dans aucune des régions observées. -- Les analyses multi-échelles suggèrent donc qu'indépendamment du stade évolutif et de la gamme de masse des régions de formation stellaires, le champ magnétique galactique subit des modifications de sa morphologie aux échelles spatiales comparables à celles des coeurs protostellaires, de la même façon que les propriétés structurelles des nuages moléculaires suivent des lois d'autosimilarité jusqu'à des échelles comparables à celles des coeurs.

L’utilisation de la polarimétrie radar et de la décomposition de Touzi pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales des milieux humides : le cas du Lac Saint-Pierre.

Les milieux humides remplissent plusieurs fonctions écologiques d’importance et contribuent à la biodiversité de la faune et de la flore. Même s’il existe une reconnaissance croissante sur l’importante de protéger ces milieux, il n’en demeure pas moins que leur intégrité est encore menacée par la pression des activités humaines. L’inventaire et le suivi systématique des milieux humides constituent une nécessité et la télédétection est le seul moyen réaliste d’atteindre ce but. L’objectif de cette thèse consiste à contribuer et à améliorer la caractérisation des milieux humides en utilisant des données satellites acquises par des radars polarimétriques en bande L (ALOS-PALSAR) et C (RADARSAT-2). Cette thèse se fonde sur deux hypothèses (chap. 1). La première hypothèse stipule que les classes de physionomies végétales, basées sur la structure des végétaux, sont plus appropriées que les classes d’espèces végétales car mieux adaptées au contenu informationnel des images radar polarimétriques. La seconde hypothèse stipule que les algorithmes de décompositions polarimétriques permettent une extraction optimale de l’information polarimétrique comparativement à une approche multipolarisée basée sur les canaux de polarisation HH, HV et VV (chap. 3). En particulier, l’apport de la décomposition incohérente de Touzi pour l’inventaire et le suivi de milieux humides est examiné en détail. Cette décomposition permet de caractériser le type de diffusion, la phase, l’orientation, la symétrie, le degré de polarisation et la puissance rétrodiffusée d’une cible à l’aide d’une série de paramètres extraits d’une analyse des vecteurs et des valeurs propres de la matrice de cohérence. La région du lac Saint-Pierre a été sélectionnée comme site d’étude étant donné la grande diversité de ses milieux humides qui y couvrent plus de 20 000 ha. L’un des défis posés par cette thèse consiste au fait qu’il n’existe pas de système standard énumérant l’ensemble possible des classes physionomiques ni d’indications précises quant à leurs caractéristiques et dimensions. Une grande attention a donc été portée à la création de ces classes par recoupement de sources de données diverses et plus de 50 espèces végétales ont été regroupées en 9 classes physionomiques (chap. 7, 8 et 9). Plusieurs analyses sont proposées pour valider les hypothèses de cette thèse (chap. 9). Des analyses de sensibilité par diffusiogramme sont utilisées pour étudier les caractéristiques et la dispersion des physionomies végétales dans différents espaces constitués de paramètres polarimétriques ou canaux de polarisation (chap. 10 et 12). Des séries temporelles d’images RADARSAT-2 sont utilisées pour approfondir la compréhension de l’évolution saisonnière des physionomies végétales (chap. 12). L’algorithme de la divergence transformée est utilisé pour quantifier la séparabilité entre les classes physionomiques et pour identifier le ou les paramètres ayant le plus contribué(s) à leur séparabilité (chap. 11 et 13). Des classifications sont aussi proposées et les résultats comparés à une carte existante des milieux humide du lac Saint-Pierre (14). Finalement, une analyse du potentiel des paramètres polarimétrique en bande C et L est proposé pour le suivi de l’hydrologie des tourbières (chap. 15 et 16). Les analyses de sensibilité montrent que les paramètres de la 1re composante, relatifs à la portion dominante (polarisée) du signal, sont suffisants pour une caractérisation générale des physionomies végétales. Les paramètres des 2e et 3e composantes sont cependant nécessaires pour obtenir de meilleures séparabilités entre les classes (chap. 11 et 13) et une meilleure discrimination entre milieux humides et milieux secs (chap. 14). Cette thèse montre qu’il est préférable de considérer individuellement les paramètres des 1re, 2e et 3e composantes plutôt que leur somme pondérée par leurs valeurs propres respectives (chap. 10 et 12). Cette thèse examine également la complémentarité entre les paramètres de structure et ceux relatifs à la puissance rétrodiffusée, souvent ignorée et normalisée par la plupart des décompositions polarimétriques. La dimension temporelle (saisonnière) est essentielle pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales (chap. 12, 13 et 14). Des images acquises au printemps (avril et mai) sont nécessaires pour discriminer les milieux secs des milieux humides alors que des images acquises en été (juillet et août) sont nécessaires pour raffiner la classification des physionomies végétales. Un arbre hiérarchique de classification développé dans cette thèse constitue une synthèse des connaissances acquises (chap. 14). À l’aide d’un nombre relativement réduit de paramètres polarimétriques et de règles de décisions simples, il est possible d’identifier, entre autres, trois classes de bas marais et de discriminer avec succès les hauts marais herbacés des autres classes physionomiques sans avoir recours à des sources de données auxiliaires. Les résultats obtenus sont comparables à ceux provenant d’une classification supervisée utilisant deux images Landsat-5 avec une exactitude globale de 77.3% et 79.0% respectivement. Diverses classifications utilisant la machine à vecteurs de support (SVM) permettent de reproduire les résultats obtenus avec l’arbre hiérarchique de classification. L’exploitation d’une plus forte dimensionalitée par le SVM, avec une précision globale maximale de 79.1%, ne permet cependant pas d’obtenir des résultats significativement meilleurs. Finalement, la phase de la décomposition de Touzi apparaît être le seul paramètre (en bande L) sensible aux variations du niveau d’eau sous la surface des tourbières ouvertes (chap. 16). Ce paramètre offre donc un grand potentiel pour le suivi de l’hydrologie des tourbières comparativement à la différence de phase entre les canaux HH et VV. Cette thèse démontre que les paramètres de la décomposition de Touzi permettent une meilleure caractérisation, de meilleures séparabilités et de meilleures classifications des physionomies végétales des milieux humides que les canaux de polarisation HH, HV et VV. Le regroupement des espèces végétales en classes physionomiques est un concept valable. Mais certaines espèces végétales partageant une physionomie similaire, mais occupant un milieu différent (haut vs bas marais), ont cependant présenté des différences significatives quant aux propriétés de leur rétrodiffusion.

A study of the large-scale structure of the wind of WR 134

Diverses méthodes ont été utilisées pour étudier les étoiles Wolf-Rayet (WR) dans le but de comprendre les phénomènes physiques variés qui prennent place dans leur vent dense. Pour étudier la variabilité qui n'est pas strictement périodique et ayant des caractéristiques différentes d'une époque à l'autre, il faut observer pendant des périodes de temps suffisamment longues en adopter un échantillonnage temporel élevé pour être en mesure d'identifier les phénomènes physiques sous-jacents. À l'été 2013, des astronomes professionnels et amateurs du monde entier ont contribué à une campagne d'observation de 4 mois, principalement en spectroscopie, mais aussi en photométrie, polarimétrie et en interférométrie, pour observer les 3 premières étoiles Wolf-Rayet découvertes: WR 134 (WN6b), WR 135 (WC8) et WR 137 (WC7pd + O9). Chacune de ces étoiles est intéressante à sa manière, chacune présentant une variété différente de structures dans son vent. Les données spectroscopiques de cette campagne ont été réduites et analysées pour l'étoile présumée simple WR 134 pour mieux comprendre le comportement de sa variabilité périodique à long terme dans le cadre d'une étude des régions d'interactions en corotation (CIRs) qui se retrouvent dans son vent. Les résultats de cette étude sont présentés dans ce mémoire.

Mapping Macrophyte Species in the Amazon Floodplain Wetlands Using Fully Polarimetric ALOS/PALSAR Data

The purpose of this paper was to evaluate attributes derived from fully polarimetric PALSAR data to discriminate and map macrophyte species in the Amazon floodplain wetlands. Fieldwork was carried out almost simultaneously to the radar acquisition, and macrophyte biomass and morphological variables were measured in the field. Attributes were calculated from the covariance matrix [C] derived from the single-look complex data. Image attributes and macrophyte variables were compared and analyzed to investigate the sensitivity of the attributes for discriminating among species. Based on these analyses, a rule-based classification was applied to map macrophyte species. Other classification approaches were tested and compared to the rule-based method: a classification based on the Freeman-Durden and Cloude-Pottier decomposition models, a hybrid classification (Wishart classifier with the input classes based on the H/a plane), and a statistical-based classification (supervised classification using Wishart distance measures). The findings show that attributes derived from fully polarimetric L-band data have good potential for discriminating herbaceous plant species based on morphology and that estimation of plant biomass and productivity could be improved by using these polarimetric attributes.

Investigations on the full polarimetric PALSAR data to discriminate macrophytes species in the Amazon floodplain wetland

The purpose of this work is to evaluate the capacity of full polarimetric L band data to discriminate macrophyte species in Amazon wetland. Fieldwork was carried out almost simultaneously to the acquisition of the full polarimetric PALSAR data. Coherent and incoherent attributes were extracted from the image, and macrophyte morphological variables were measured on the ground. The image attributes and the macrophyte variables were compared in order to evaluate their application for discriminating macrophytes species. The findings suggest that polarimetric information could be adopted to discriminate plant species based on morphology, and that estimation of plant biomass and productivity could be improved by using the polarimetric information. © 2010 IEEE.

Informação polarimétrica PALSAR/ALOS aplicada à discriminação de espécies e estimação de parâmetros morfológicos de macrófitas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Retinal nerve fiber evaluation in neuro-ophthalmic diseases of the anterior visual pathway

Retinal nerve fiber evaluation is important in the diagnosis and management of several diseases of the anterior visual pathway. In this report we review the clinical findings and the current techonologies avalilable to analyse the retinal nerve fiber layer. We furthermore review the main findings in several disease of the anterior visual pathways including inflammatory, ischemic, toxics, hereditary, compressive and traumatic optic neuropathies as well as lesion of the optic chiasm, optic tract and lateral geniculate body.

New activity in the large circumstellar disk of the Be-shell star 48 Librae

Aims. Spectroscopic, polarimetric, and high spectral resolution interferometric data covering the period 1995-2011 are analyzed to document the transition into a new phase of circumstellar disk activity in the classical Be-shell star 48 Lib. The objective is to use this broad data set to additionally test disk oscillations as the basic underlying dynamical process. Methods. The long-term disk evolution is described using the V/R ratio of the violet and red emission components of H alpha and Br gamma, radial velocities and profiles of He I and optical metal shell lines, as well as multi-band BVRI polarimetry. Single-epoch broad-band and high-resolution interferometric visibilities and phases are discussed with respect to a classical disk model and the given baseline orientations. Results. Spectroscopic signatures of disk asymmetries in 48 Lib vanished in the late nineties but recovered some time between 2004 and 2007, as shown by a new large-amplitude and long-duration V/R cycle. Variations in the radial velocity and line profile of conventional shell lines correlate with the V/R behavior. They are shared by narrow absorption cores superimposed on otherwise seemingly photospheric He I lines, which may form in high-density gas at the inner disk close to the photosphere. Large radial velocity variations continued also during the V/R-quiet years, suggesting that V/R may not always be a good indicator of global density waves in the disk. The comparison of the polarization after the recovery of the V/R activity shows a slight increase, while the polarization angle has been constant for more than 20 years, placing tight limits on any 3-D precession or warping of the disk. The broad H-band interferometry gives a disk diameter of (1.72 +/- 0.2) mas (equivalent to 15 stellar radii), position angle of the disk (50 +/- 9)degrees and a relatively low disk flattening of 1.66 +/- 0.3. Within the errors the same disk position angle is derived from polarimetric observations and from photocenter shifts across Br gamma. The high-resolution interferometric visibility and phase profiles show a double or even multiple-component structure. A preliminary estimate based on the size of the Br gamma emitting region indicates a large diameter for the disk (tens of stellar radii). Overall, no serious contradiction between the observations and the disk-oscillation model could be construed.

Structure-function Relationships Using the Cirrus Spectral Domain Optical Coherence Tomograph and Standard Automated Perimetry

Purpose: To evaluate the relationship between glaucomatous structural damage assessed by the Cirrus Spectral Domain OCT (SDOCT) and functional loss as measured by standard automated perimetry (SAP). Methods: Four hundred twenty-two eyes (78 healthy, 210 suspects, 134 glaucomatous) of 250 patients were recruited from the longitudinal Diagnostic Innovations in Glaucoma Study and from the African Descent and Glaucoma Evaluation Study. All eyes underwent testing with the Cirrus SDOCT and SAP within a 6-month period. The relationship between parapapillary retinal nerve fiber layer thickness (RNFL) sectors and corresponding topographic SAP locations was evaluated using locally weighted scatterplot smoothing and regression analysis. SAP sensitivity values were evaluated using both linear as well as logarithmic scales. We also tested the fit of a model (Hood) for structure-function relationship in glaucoma. Results: Structure was significantly related to function for all but the nasal thickness sector. The relationship was strongest for superotemporal RNFL thickness and inferonasal sensitivity (R(2) = 0.314, P < 0.001). The Hood model fitted the data relatively well with 88% of the eyes inside the 95% confidence interval predicted by the model. Conclusions: RNFL thinning measured by the Cirrus SDOCT was associated with correspondent visual field loss in glaucoma.

The Enhanced Single-dish Control System and wide surveys of compact sources

The Italian radio telescopes currently undergo a major upgrade period in response to the growing demand for deep radio observations, such as surveys on large sky areas or observations of vast samples of compact radio sources. The optimised employment of the Italian antennas, at first constructed mainly for VLBI activities and provided with a control system (FS – Field System) not tailored to single-dish observations, required important modifications in particular of the guiding software and data acquisition system. The production of a completely new control system called ESCS (Enhanced Single-dish Control System) for the Medicina dish started in 2007, in synergy with the software development for the forthcoming Sardinia Radio Telescope (SRT). The aim is to produce a system optimised for single-dish observations in continuum, spectrometry and polarimetry. ESCS is also planned to be installed at the Noto site. A substantial part of this thesis work consisted in designing and developing subsystems within ESCS, in order to provide this software with tools to carry out large maps, spanning from the implementation of On-The-Fly fast scans (following both conventional and innovative observing strategies) to the production of single-dish standard output files and the realisation of tools for the quick-look of the acquired data. The test period coincided with the commissioning phase for two devices temporarily installed – while waiting for the SRT to be completed – on the Medicina antenna: a 18-26 GHz 7-feed receiver and the 14-channel analogue backend developed for its use. It is worth stressing that it is the only K-band multi-feed receiver at present available worldwide. The commissioning of the overall hardware/software system constituted a considerable section of the thesis work. Tests were led in order to verify the system stability and its capabilities, down to sensitivity levels which had never been reached in Medicina using the previous observing techniques and hardware devices. The aim was also to assess the scientific potential of the multi-feed receiver for the production of wide maps, exploiting its temporary availability on a mid-sized antenna. Dishes like the 32-m antennas at Medicina and Noto, in fact, offer the best conditions for large-area surveys, especially at high frequencies, as they provide a suited compromise between sufficiently large beam sizes to cover quickly large areas of the sky (typical of small-sized telescopes) and sensitivity (typical of large-sized telescopes). The KNoWS (K-band Northern Wide Survey) project is aimed at the realisation of a full-northern-sky survey at 21 GHz; its pilot observations, performed using the new ESCS tools and a peculiar observing strategy, constituted an ideal test-bed for ESCS itself and for the multi-feed/backend system. The KNoWS group, which I am part of, supported the commissioning activities also providing map-making and source-extraction tools, in order to complete the necessary data reduction pipeline and assess the general system scientific capabilities. The K-band observations, which were carried out in several sessions along the December 2008-March 2010 period, were accompanied by the realisation of a 5 GHz test survey during the summertime, which is not suitable for high-frequency observations. This activity was conceived in order to check the new analogue backend separately from the multi-feed receiver, and to simultaneously produce original scientific data (the 6-cm Medicina Survey, 6MS, a polar cap survey to complete PMN-GB6 and provide an all-sky coverage at 5 GHz).

Do optic nerve head and visual field parameters in patients with obstructive sleep apnea syndrome differ from those in control individuals?

BACKGROUND It has been suggested that sleep apnea syndrome may play a role in normal-tension glaucoma contributing to optic nerve damage. The purpose of this study was to evaluate if optic nerve and visual field parameters in individuals with sleep apnea syndrome differ from those in controls. PATIENTS AND METHODS From the records of the sleep laboratory at the University Hospital in Bern, Switzerland, we recruited consecutive patients with severe sleep apnea syndrome proven by polysomnography, apnea-hypopnea index >20, as well as no sleep apnea controls with apnea-hypopnea index <10. Participants had to be unknown to the ophtalmology department and had to have no recent eye examination in the medical history. All participants underwent a comprehensive eye examination, scanning laser polarimetry (GDx VCC, Carl Zeiss Meditec, Dublin, California), scanning laser ophthalmoscopy (Heidelberg Retina Tomograph II, HRT II), and automated perimetry (Octopus 101 Programm G2, Haag-Streit Diagnostics, Koeniz, Switzerland). Mean values of the parameters of the two groups were compared by t-test. RESULTS The sleep apnea group consisted of 69 eyes of 35 patients; age 52.7 ± 9.7 years, apnea-hypopnea index 46.1 ± 24.8. As controls served 38 eyes of 19 patients; age 45.8 ± 11.2 years, apnea-hypopnea index 4.8 ± 1.9. A difference was found in mean intraocular pressure, although in a fully overlapping range, sleep apnea group: 15.2 ± 3.1, range 8-22 mmHg, controls: 13.6 ± 2.3, range 9-18 mmHg; p<0.01. None of the extended visual field, optic nerve head (HRT) and retinal nerve fiber layer (GDx VCC) parameters showed a significant difference between the groups. CONCLUSION Visual field, optic nerve head, and retinal nerve fiber layer parameters in patients with sleep apnea did not differ from those in the control group. Our results do not support a pathogenic relationship between sleep apnea syndrome and glaucoma.