Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Theoretical study of magnetism, structure and chemical order in transition-metal alloy clusters

Research on transition-metal nanoalloy clusters composed of a few atoms is fascinating by their unusual properties due to the interplay among the structure, chemical order and magnetism. Such nanoalloy clusters, can be used to construct nanometer devices for technological applications by manipulating their remarkable magnetic, chemical and optical properties. Determining the nanoscopic features exhibited by the magnetic alloy clusters signifies the need for a systematic global and local exploration of their potential-energy surface in order to identify all the relevant energetically low-lying magnetic isomers. In this thesis the sampling of the potential-energy surface has been performed by employing the state-of-the-art spin-polarized density-functional theory in combination with graph theory and the basin-hopping global optimization techniques. This combination is vital for a quantitative analysis of the quantum mechanical energetics. The first approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the graph theory method, is applied to study the Fe$_m$Rh$_n$ and Co$_m$Pd$_n$ clusters having $N = m+n \leq 8$ atoms. We carried out a thorough and systematic sampling of the potential-energy surface by taking into account all possible initial cluster topologies, all different distributions of the two kinds of atoms within the cluster, the entire concentration range between the pure limits, and different initial magnetic configurations such as ferro- and anti-ferromagnetic coupling. The remarkable magnetic properties shown by FeRh and CoPd nanoclusters are attributed to the extremely reduced coordination number together with the charge transfer from 3$d$ to 4$d$ elements. The second approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the basin-hopping method is applied to study the small Fe$_6$, Fe$_3$Rh$_3$ and Rh$_6$ and the larger Fe$_{13}$, Fe$_6$Rh$_7$ and Rh$_{13}$ clusters as illustrative benchmark systems. This method is able to identify the true ground-state structures of Fe$_6$ and Fe$_3$Rh$_3$ which were not obtained by using the first approach. However, both approaches predict a similar cluster for the ground-state of Rh$_6$. Moreover, the computational time taken by this approach is found to be significantly lower than the first approach. The ground-state structure of Fe$_{13}$ cluster is found to be an icosahedral structure, whereas Rh$_{13}$ and Fe$_6$Rh$_7$ isomers relax into cage-like and layered-like structures, respectively. All the clusters display a remarkable variety of structural and magnetic behaviors. It is observed that the isomers having similar shape with small distortion with respect to each other can exhibit quite different magnetic moments. This has been interpreted as a probable artifact of spin-rotational symmetry breaking introduced by the spin-polarized GGA. The possibility of combining the spin-polarized density-functional theory with some other global optimization techniques such as minima-hopping method could be the next step in this direction. This combination is expected to be an ideal sampling approach having the advantage of avoiding efficiently the search over irrelevant regions of the potential energy surface.

Parallel Coupled Micro-Macro Actuators

This thesis presents a new actuator system consisting of a micro-actuator and a macro-actuator coupled in parallel via a compliant transmission. The system is called the Parallel Coupled Micro-Macro Actuator, or PaCMMA. In this system, the micro-actuator is capable of high bandwidth force control due to its low mass and direct-drive connection to the output shaft. The compliant transmission of the macro-actuator reduces the impedance (stiffness) at the output shaft and increases the dynamic range of force. Performance improvement over single actuator systems was expected in force control, impedance control, force distortion and reduction of transient impact forces. A set of quantitative measures is proposed and the actuator system is evaluated against them: Force Control Bandwidth, Position Bandwidth, Dynamic Range, Impact Force, Impedance ("Backdriveability'"), Force Distortion and Force Performance Space. Several theoretical performance limits are derived from the saturation limits of the system. A control law is proposed and control system performance is compared to the theoretical limits. A prototype testbed was built using permanenent magnet motors and an experimental comparison was performed between this actuator concept and two single actuator systems. The following performance was observed: Force bandwidth of 56Hz, Torque Dynamic Range of 800:1, Peak Torque of 1040mNm, Minimum Torque of 1.3mNm. Peak Impact Force was reduced by an order of magnitude. Distortion at small amplitudes was reduced substantially. Backdriven impedance was reduced by 2-3 orders of magnitude. This actuator system shows promise for manipulator design as well as psychophysical tests of human performance.

Perspectives of auto-correcting lens distortions in mosaic-based underwater navigation

When unmanned underwater vehicles (UUVs) perform missions near the ocean floor, optical sensors can be used to improve local navigation. Video mosaics allow to efficiently process the images acquired by the vehicle, and also to obtain position estimates. We discuss in this paper the role of lens distortions in this context, proving that degenerate mosaics have their origin not only in the selected motion model or in registration errors, but also in the cumulative effect of radial distortion residuals. Additionally, we present results on the accuracy of different feature-based approaches for self-correction of lens distortions that may guide the choice of appropriate techniques for correcting distortions

La incidencia del conflicto armado durante el primer mandato del presidente Uribe en las relaciones de seguridad fronteriza con Venezuela y Ecuador

Esta investigación busca analizar el proceso de internacionalización del conflicto armado en Colombia, teniendo en cuenta que durante casi cincuenta años pasó desapercibido e incluso indiferente, tanto a nivel doméstico como por el sistema internacional. De igual manera, el objetivo general de este análisis es evaluar las consecuencias del conflicto armado en Colombia en las relaciones de seguridad fronteriza durante el periodo del 2002-2006; a partir de esto, se plantean cuatro propósitos principales. Primero, describir el proceso de internacionalización del conflicto, entendiendo que su incidencia en la zona se ha desarrollado desde el concepto del efecto derrame. Segundo, establecer si existe alguna diferencia sobre la incidencia del conflicto en los diferentes puntos de frontera y determinar por qué es diferente la situación en los puntos de frontera para Venezuela y Ecuador. Para ello, se analizarán las manifestaciones del conflicto que han incidido en las relaciones con Venezuela, y a partir de esto establecer sus repercusiones; de la misma forma, se examinaran las manifestaciones que han incidido del lado ecuatoriano. Tercero, se buscará establecer de qué manera es similar o diferente la incidencia del conflicto armado colombiano con respecto a cada frontera de estudio y determinar sus repercusiones en las relaciones sobre la seguridad fronteriza. Cuarto, se pretende evaluar la posibilidad de un acercamiento por parte de los tres países en aras de buscar un beneficio común, adoptando un régimen de seguridad colectiva o de intereses compartidos que permitan combatir en conjunto la seguridad en los puntos de frontera, que finalmente es la causa que distorsiona las relaciones.

El problema de Alhacén

El presente documento es un estudio detallado del problema conocido bajo el título de Problema de Alhacén. Este problema fue formulado en el siglo X por el filósofo y matemático árabe conocido en occidente bajo el nombre de Alhacén. El documento hace una breve presentación del filósofo y una breve reseña de su trascendental tratado de óptica Kitab al-Manazir. A continuación el documento se detiene a estudiar cuidadosamente los lemas requeridos para enfrentar el problema y se presentan las soluciones para el caso de los espejos esféricos (convexos y cóncavos), cilíndricos y cónicos. También se ofrece una conjetura que habría de explicar la lógica del descubrimiento implícita en la solución que ofreció Alhacén. Tanto los lemas como las soluciones se han modelado en los software de geometría dinámica Cabri II-Plus y Cabri 3-D. El lector interesado en seguir dichas modelaciones debe contar con los programas mencionados para adelantar la lectura de los archivos. En general, estas presentaciones constan de tres partes: (i) formulación del problema (se formula en forma concisa el problema); (ii) esquema general de la construcción (se presentan los pasos esenciales que conducen a la construcción solicitada y las construcciones auxiliares que demanda el problema), esta parte se puede seguir en los archivos de Cabri; y (iii) demostración (se ofrece la justificación detallada de la construcción requerida). Los archivos en Cabri II plus cuentan con botones numerados que pueden activarse haciendo “Click” sobre ellos. La numeración corresponde a la numeración presente en el documento. El lector puede desplazar a su antojo los puntos libres que pueden reconocerse porque ellos se distinguen con la siguiente marca (º). Los puntos restantes no pueden modificarse pues son el resultado de construcciones adelantadas y ajustadas a los protocolos recomendados en el esquema general.

Evaluación de la Efectividad del Restaurante-Bar El Molino en el Campo de Percepción de Marca Usando un Sistema de Simulación Basado en Agentes

El siguiente trabajo, a partir de la identificación de los diferentes sujetos que participan en el medio ambiente donde se desenvuelve el restaurante El Molino, busca determinar cuáles podrían ser las estrategias de mercadeo más efectivas para que la imagen, concepto y servicio del restaurante, la marca en general, resulte lo más atractivas posibles para los segmentos objetivo de la empresa. Dadas las circunstancias de que es un negocio reciente, no existen datos históricos de la imagen que proyecta la marca hacia sus clientes, por lo tanto la información a partir de la cual se pretenden generar alternativas para que la marca influencie a los clientes de la manera deseada será conseguida a partir de una simulación que será obtenida de un modelo basado en agentes. Con esto lo que se busca es poder parametrizar en qué aspectos y de qué forma la empresa debe invertir para que la forma en que los clientes perciben la marca sea la deseada por el restaurante.

Análisis de las repercusiones de los subsidios agrícolas en Estados Unidos, sobre los precios internacionales del azúcar

A lo largo de los años, los subsidios agrícolas han desestabilizado el mercado internacional, por ello varios miembros de la OMC (Organización Mundial del Comercio) se han visto en la necesidad de poner en marcha planes y reformas a sus políticas comerciales las cuales tienen que ver generalmente con la liberación de barreras comerciales y la lucha contra los subsidios impuestos por países como Estados Unidos, Japón, Canadá y la Unión Europea. Estos subsidios afectan sobre todo a países en vías de desarrollo que tienen un carácter de productores, y los cuales están recurriendo a la importación de alimentos gracias a estos subsidios. Por las razones anteriores, este trabajo de investigación se centró en realizar un análisis de los efectos que tienen los subsidios agrícolas, otorgados por Estados Unidos, en el sector de la caña de azúcar en Colombia. En este sentido se analizará hasta que punto estos subsidios afectarán al sub-sector y se demostrará que la sobreproducción que generan los subsidios tiene una incidencia directa en la caída de los precios internacionales Para desarrollar este problema, se analizarán las distintas leyes agrícolas que ha tenido Estados Unidos en los últimos años, sobre todo la última que firmó el Presidente Barack Obama (Agriculture Act 2014) y cómo estas han venido inquietando cada vez más el comercio internacional, afectando sobre todo los precios internacionales de varios productos agrícolas. Además se analizará cuáles son las consecuencias que va a traer esta ley para el sub-sector de la caña de azúcar en Colombia.

Anharmonicity contributions to the vibrational second hyperpolarizability of conjugated oligomers

Restricted Hartree-Fock 6-31G calculations of electrical and mechanical anharmonicity contributions to the longitudinal vibrational second hyperpolarizability have been carried out for eight homologous series of conjugated oligomers - polyacetylene, polyyne, polydiacetylene, polybutatriene, polycumulene, polysilane, polymethineimine, and polypyrrole. To draw conclusions about the limiting infinite polymer behavior, chains containing up to 12 heavy atoms along the conjugated backbone were considered. In general, the vibrational hyperpolarizabilities are substantial in comparison with their static electronic counterparts for the dc-Kerr and degenerate four-wave mixing processes (as well as for static fields) but not for electric field-induced second harmonic generation or third harmonic generation. Anharmonicity terms due to nuclear relaxation are important for the dc-Kerr effect (and for the static hyperpolarizability) in the σ-conjugated polymer, polysilane, as well as the nonplanar π systems polymethineimine and polypyrrole. Restricting polypyrrole to be planar, as it is in the crystal phase, causes these anharmonic terms to become negligible. When the same restriction is applied to polymethineimine the effect is reduced but remains quantitatively significant due to the first-order contribution. We conclude that anharmonicity associated with nuclear relaxation can be ignored, for semiquantitative purposes, in planar π-conjugated polymers. The role of zero-point vibrational averaging remains to be evaluated

Time misalignments in fault detection and diagnosis

El desalineamiento temporal es la incorrespondencia de dos señales debido a una distorsión en el eje temporal. La Detección y Diagnóstico de Fallas (Fault Detection and Diagnosis-FDD) permite la detección, el diagnóstico y la corrección de fallos en un proceso. La metodología usada en FDD está dividida en dos categorías: técnicas basadas en modelos y no basadas en modelos. Esta tesis doctoral trata sobre el estudio del efecto del desalineamiento temporal en FDD. Nuestra atención se enfoca en el análisis y el diseño de sistemas FDD en caso de problemas de comunicación de datos, como retardos y pérdidas. Se proponen dos técnicas para reducir estos problemas: una basada en programación dinámica y la otra en optimización. Los métodos propuestos han sido validados sobre diferentes sistemas dinámicos: control de posición de un motor de corriente continua, una planta de laboratorio y un problema de sistemas eléctricos conocido como hueco de tensión.

Attention and selection behavior on ‘universal search’ result pages

The ISO norm line 9241 states some criteria for ergonomics of human system interaction. In markets with a huge variety of offers and little possibility of differentiation, providers can gain a decisive competitive advantage by user oriented interfaces. A precondition for this is that relevant information can be obtained for entrepreneurial decisions in this regard. To test how users of universal search result pages use those pages and pay attention to different elements, an eye tracking experiment with a mixed design has been developed. Twenty subjects were confronted with search engine result pages (SERPs) and were instructed to make a decision while conditions “national vs. international city” and “with vs. without miniaturized Google map” were used. Different parameters like fixation count, duration and time to first fixation were computed from the eye tracking raw data and supplemented by click rate data as well as data from questionnaires. Results of this pilot study revealed some remarkable facts like a vampire effect on miniaturized Google maps. Furthermore, Google maps did not shorten the process of decision making, Google ads were not fixated, visual attention on SERPs was influenced by position of the elements on the SERP and by the users’ familiarity with the search target. These results support the theory of Amount of Invested Mental Effort (AIME) and give providers empirical evidence to take users’ expectations into account. Furthermore, the results indicated that the task oriented goal mode of participants was a moderator for the attention spent on ads. Most important, SERPs with images attracted the viewers’ attention much longer than those without images. This unique selling proposition may lead to a distortion of competition on markets.

Input/output measurements of otoacoustic emissions and differential diagnosis of cochlear function

This study provides detailed information on the ability of healthy ears to generate distortion product otoacoustic emissions (DPOAEs).

A hearing screening protocol in a pediatric practice based on otoacoustic emissions

This paper evaluates the routine of one pediatrics facility interested in incorporating a hearing screening protocol into their practice and suggests such a protocol using distortion product otoacoustic emission tests (DPOAE).

Reception of acoustic speech signals as a function of sensation levels by hearing-impaired children

This paper is a review of a study to determine the sensation level at which the best discrimination and recognition occurs for severely and profoundly deaf children and the effect of distortion (peak clipping) has on the child's ability to recognize speech.

Land Cover Sampling Biases Associated with Roadside Bird Surveys

Roadside surveys such as the Breeding Bird Survey (BBS) are widely used to assess the relative abundance of bird populations. The accuracy of roadside surveys depends on the extent to which surveys from roads represent the entire region under study. We quantified roadside land cover sampling bias in Tennessee, USA, by comparing land cover proportions near roads to proportions of the surrounding region. Roadside surveys gave a biased estimate of patterns across the region because some land cover types were over- or underrepresented near roads. These biases changed over time, introducing varying levels of distortion into the data. We constructed simulated population trends for five bird species of management interest based on these measured roadside sampling biases and on field data on bird abundance. These simulations indicated that roadside surveys may give overly negative assessments of the population trends of early successional birds and of synanthropic birds, but not of late-successional birds. Because roadside surveys are the primary source of avian population trend information in North America, we conclude that these surveys should be corrected for roadside land cover sampling bias. In addition, current recommendations about the need to create more early successional habitat for birds may need reassessment in the light of the undersampling of this habitat by roads.