Parametric scans of HB and LS-RPA regimes employing Petawatt laser

By contrast to the Target Normal Sheath acceleration (TNSA) mechanism [1], Radiation Pressure Acceleration (RPA) is currently attracting a substantial amount of experimental [2,3] and theoretical [4-6] attention worldwide due to its superior scaling in terms of ion energy and laser-ion conversion efficiency. Employing Vulcan Petawatt lasers of the Rutherford Appleton Laboratory, UK, both the Hole-boring (HB) and the Light-Sail (LS) regimes of the RPA have been extensively explored. When the target thickness is of the order of hole-boring velocity times the laser pulse duration, highly collimated plasma jets of near solid density are ejected from the foil, lasting up to ns after the laser interaction. By changing the linear polarisation of the laser to circular, improved homogeneity in the jet's spatial density profile is achieved which suggests more uniform and sustained radiation pressure drive on target ions. By decreasing the target areal density or increasing irradiance on the target, the LS regime of the RPA is accessed where relatively high flux (~ 1012 particles/MeV/Sr) of ions are accelerated to ~ 10 MeV/nucleon energies in a narrow energy bandwidth. The ion energy scaling obtained from the parametric scans agrees well with theoretical estimation based on RPA mechanism and the narrow bandwidth feature in the ion spectra is studied by 2D particle-in-simulations.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

Estudo e aplicação de amplificadores ópticos para suporte a redes banda larga

Esta tese tem como foco principal a análise dos principais tipos de amplificação óptica e algumas de suas aplicações em sistemas de comunicação óptica. Para cada uma das tecnologias abordadas, procurou-se definir o estado da arte bem como identificar as oportunidades de desenvolvimento científico relacionadas. Os amplificadores para os quais foi dirigido alguma atenção neste documento foram os amplificadores em fibra dopada com Érbio (EDFA), os amplificadores a semicondutor (SOA) e os amplificadores de Raman (RA). Este trabalho iniciou-se com o estudo e análise dos EDFA’s. Dado o interesse científico e económico que estes amplificadores têm merecido, apenas poucos nichos de investigação estão ainda em aberto. Dentro destes, focá-mo-nos na análise de diferentes perfis de fibra óptica dopada de forma a conseguir uma optimização do desempenho dessas fibras como sistemas de amplificação. Considerando a fase anterior do trabalho como uma base de modelização para sistemas de amplificação com base em fibra e dopantes, evoluiu-se para amplificadores dopados mas em guias de onda (EDWA). Este tipo de amplificador tenta reduzir o volume físico destes dispositivos, mantendo as suas características principais. Para se ter uma forma de comparação de desempenho deste tipo de amplificador com os amplificadores em fibra, foram desenvolvidos modelos de caixa preta (BBM) e os seus parâmetros afinados por forma a termos uma boa modelização e posterior uso deste tipo de amplificiadores em setups de simulação mais complexos. Depois de modelizados e compreendidos os processo em amplificadores dopados, e com vista a adquirir uma visão global comparativa, foi imperativo passar pelo estudo dos processos de amplificação paramétrica de Raman. Esse tipo de amplificação, sendo inerente, ocorre em todas as bandas de propagação em fibra e é bastante flexível. Estes amplificadores foram inicialmente modelizados, e algumas de suas aplicações em redes passivas de acesso foram estudadas. Em especial uma série de requisitos, como por exemplo, a gama de comprimentos de onda sobre os quais existem amplificação e os altos débitos de perdas de inserção, nos levaram à investigação de um processo de amplificação que se ajustasse a eles, especialmente para buscar maiores capacidades de amplificação (nomeadamente longos alcances – superiores a 100 km – e altas razões de divisão – 1:512). Outro processo investigado foi a possibilidade de flexibilização dos parâmetros de comprimento de onda de ganho sem ter que mudar as caractísticas da bomba e se possível, mantendo toda a referenciação no transmissor. Este processo baseou-se na técnica de clamping de ganho já bastante estudada, mas com algumas modificações importantes, nomeadamente a nível do esquema (reflexão apenas num dos extremos) e da modelização do processo. O processo resultante foi inovador pelo recurso a espalhamentos de Rayleigh e Raman e o uso de um reflector de apenas um dos lados para obtenção de laser. Este processo foi modelizado através das equações de propagação e optimizado, tendo sido demonstrado experimentalmente e validado para diferentes tipos de fibras. Nesta linha, e dada a versatilidade do modelo desenvolvido, foi apresentada uma aplicação mais avançada para este tipo de amplificadores. Fazendo uso da sua resposta ultra rápida, foi proposto e analisado um regenerador 2R e analisada por simulação a sua gama de aplicação tendo em vista a sua aplicação sistémica. A parte final deste trabalho concentrou-se nos amplificadores a semiconductor (SOA). Para este tipo de amplificador, os esforços foram postos mais a nível de aplicação do que a nível de sua modelização. As aplicações principais para estes amplificadores foram baseadas em clamping óptico do ganho, visando a combinação de funções lógicas essenciais para a concepção de um latch óptico com base em componentes discretos. Assim, com base num chip de ganho, foi obtido uma porta lógica NOT, a qual foi caracterizada e demonstrada experimentalmente. Esta foi ainda introduzida num esquema de latching de forma a produzir um bi-estável totalmente óptico, o qual também foi demonstrado e caracterizado. Este trabalho é finalizado com uma conclusão geral relatando os subsistemas de amplificação e suas aplicacações.

Alternative techniques for Raman amplification in telecommunications

O presente trabalho centra-se no estudo dos amplificadores de Raman em fibra ótica e suas aplicações em sistemas modernos de comunicações óticas. Abordaram-se tópicos específicos como a simulação espacial do amplificador de Raman, a equalização e alargamento do ganho, o uso de abordagens híbridas de amplificação através da associação de amplificadores de Raman em fibra ótica com amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFA) e os efeitos transitórios no ganho dos amplificadores. As actividades realizadas basearam-se em modelos teóricos, sendo os resultados validados experimentalmente. De entre as contribuições mais importantes desta tese, destaca-se (i) o desenvolvimento de um simulador eficiente para amplificadores de Raman que suporta arquitecturas de bombeamento contraprogantes e bidirecionais num contexto com multiplexagem no comprimento de onda (WDM); (ii) a implementação de um algoritmo de alocação de sinais de bombeamento usando a combinação do algoritmo genético com o método de Nelder- Mead; (iii) a apreciação de soluções de amplificação híbridas por associação dos amplificadores de Raman com EDFA em cenários de redes óticas passivas, nomeadamente WDM/TDM-PON com extensão a região espectral C+L; e (iv) a avaliação e caracterização de fenómenos transitórios em amplificadores para tráfego em rajadas/pacotes óticos e consequente desenvolvimento de soluções de mitigação baseadas em técnicas de clamping ótico.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

Ultrasonic measurement of the elastic constants of selected nonlinear optical /semiorganic crystals with orthorhombic symmetry

Ultrasonic is a good tool to investigate the elastic properties of crystals. It enables one to determine all the elastic constants, Poisson’s ratios, volume compressibility and bulk modulus of crystals from velocity measurements. It also enables one to demonstrate the anisotropy of elastic properties by plotting sections of the surfaces of phase velocity, slowness, group velocity, Young’s modulus and linear compressibility along the a-b, b-c and a-c planes. They also help one to understand more about phonon amplification and help to interpret various phenomena associated with ultrasonic wave propagation, thermal conductivity, phonon transport etc. Study of nonlinear optical crystals is very important from an application point of view. Hundreds of new NLO materials are synthesized to meet the requirements for various applications. Inorganic, organic and organometallic or semiorganic classes of compounds have been studied for several reasons. Semiorganic compounds have some advantages over their inorganic and inorganic counterparts with regard to their mechanical properties. High damage resistance, high melting point, good transparency and non-hygroscopy are some of the basic requirements for a material to be suitable for device fabrication. New NLO materials are being synthesized and investigation of the mechanical and elastic properties of these crystals is very important to test the suitability of these materials for technological applications

Optical Emission Diagnostics Of Laser Produced Plasma From Graphite And Yba2cu3o7

This thesis is entitled “OPTICAL EMISSION DIAGNOSTICS OF LASER PRODUCED PLASMA FROM GRAPHITE AND YBa2Cu3O7. The work presented in this thesis covers the experimental results on the plasma produced with moderately high power laser with irradiance range in between 10 GW cm 2 to 100 GW cm -2. The characterization of laser produced plasma from solid targets viz. graphite and high temperature superconducting material like YBa2Cu3O7 have been carried out. The fundamental frequency from a Q - switched Nd: YAG laser with 9 ns pulse duration is used for the present studies. Various optical emission emission diagnostic techniques were employed for the the characterization of the LPP which include emission spectroscopy, time resolved studies, line broadening method etc. In order to understand the physical nature of the LPP like recombination, collisional excitation and the laser interaction with plasma, the time resolved studies offer the most logical approach

Light amplification in dye doped polymer films

We report unusual spectral narrowing and laser emission from polymer thin films doped with Coumarin 540 dye. The laser emission from the polymer films is found to be highly dependent upon the excitation length of the medium. Even a short length of 1.75 mm of the dye doped film gave rise to laser emission with FWHM of 0.3 nm for a pump intensity of 825 kW cm−2. The partial reflections from the broad lateral surfaces of the free standing films provided the optical feedback for the laser emission. Occurrence of well-resolved equally spaced resonant modes confirmed the effect of a Fabry–Perot-like optical cavity between the film surfaces

Light amplification in dye doped polymer films

We report unusual spectral narrowing and laser emission from polymer thin films doped with Coumarin 540 dye. The laser emission from the polymer films is found to be highly dependent upon the excitation length of the medium. Even a short length of 1.75 mm of the dye doped film gave rise to laser emission with FWHM of 0.3 nm for a pump intensity of 825 kW cm−2. The partial reflections from the broad lateral surfaces of the free standing films provided the optical feedback for the laser emission. Occurrence of well-resolved equally spaced resonant modes confirmed the effect of a Fabry–Perot-like optical cavity between the film surfaces.

Third order nonlinear optical studies in europium naphthalocyanine using degenerate four wave mixing and Z-scan

Third order nonlinear susceptibility χ(3) and second hyperpolarizability (γ) of a bis-naphthalocyanine viz. europium naphthalocyanines, Eu(Nc)2, were measured in dimethyl formamide solution using degenerate four wave mixing at 532 nm under nanosecond pulse excitation. Effective nonlinear absorption coefficient, βeff and imaginary part of nonlinear susceptibility, Im(χ(3)) were obtained using open aperture /Z-scan technique at the same wavelength. Optical limiting property of the sample was also investigated. The role of excited state absorption in deciding the nonlinear properties of this material is discussed.

Simultaneous determination of nonlinear optical and thermo-optic parameters of liquid samples

The authors apply the theory of photothermal lens formation and also that of pure optical nonlinearity to account for the phase modulation in a beam as it traverses a nonlinear medium. It is used to simultaneously determine the nonlinear optical refraction and the thermo-optic coefficient. They demonstrate this technique using some metal phthalocyanines dissolved in dimethyl sulfoxide, irradiated by a Q-switched Nd:YAG laser with 10 Hz repetition rate and a pulse width of 8 ns. The mechanism for reverse saturable absorption in these materials is also discussed.

Effect of dissolved NaCl, MgCl2, and Na2SO4 in seawater on the optical attenuation in the region from 430 to 630 nm

The split-pulse laser method is used to reinvestigate the optical attenuation of distilled water in the region from 430 to 630 nm. The studies are then extended to ionic solutions of NaCl, MgCl2, and Na2SO4, these salts forming the major constituents of seawater. The effect of the concentration of these constituents on optical attenuation is investigated. Further, optical attenuation studies are carried out for the region from 430 to 630 nm for an aqueous solution prepared with all the major constituents in the same proportions as in natural seawater. These values are then compared with values obtained for natural seawater. The relative role of dissolved salts and suspended particles on optical attenuation in seawater is discussed. The lowest attenuation is observed at ~450 nm for all solutions and is found to coincide with that for distilled water.

Fabrication and Characterisation of Dye Doped Polymer Optical Fibres With Different Refractive Index Profiles for Photonic Applications

International School of Photonics, Cohin University of Science and Technology

Growth, optical characterization, and laser operation of a stoichiometric crystal KYb(WO4)(2)

We present our recent achievements in the growing and optical characterization of KYb(WO4)2 (hereafter KYbW) crystals and demonstrate laser operation in this stoichiometric material. Single crystals of KYbW with optimal crystalline quality have been grown by the top-seeded-solution growth slow-cooling method. The optical anisotropy of this monoclinic crystal has been characterized, locating the tensor of the optical indicatrix and measuring the dispersion of the principal values of the refractive indices as well as the thermo-optic coefficients. Sellmeier equations have been constructed valid in the visible and near-IR spectral range. Raman scattering has been used to determine the phonon energies of KYbW and a simple physical model is applied for classification of the lattice vibration modes. Spectroscopic studies (absorption and emission measurements at room and low temperature) have been carried out in the spectral region near 1 µm characteristic for the ytterbium transition. Energy positions of the Stark sublevels of the ground and the excited state manifolds have been determined and the vibronic substructure has been identified. The intrinsic lifetime of the upper laser level has been measured taking care to suppress the effect of reabsorption and the intrinsic quantum efficiency has been estimated. Lasing has been demonstrated near 1074 nm with 41% slope efficiency at room temperature using a 0.5 mm thin plate of KYbW. This laser material holds great promise for diode pumped high-power lasers, thin disk and waveguide designs as well as for ultrashort (ps/fs) pulse laser systems.