Optimization of inverse reflector design

Aquesta tesi presenta un nou mètode pel disseny invers de reflectors. Ens hem centrat en tres temes principals: l’ús de fonts de llum reals i complexes, la definició d’un algoritme ràpid pel càlcul de la il•luminació del reflector, i la definició d’un algoritme d’optimització per trobar més eficientment el reflector desitjat. Les fonts de llum estan representades per models near-field, que es comprimeixen amb un error molt petit, fins i tot per fonts de llum amb milions de raigs i objectes a il•luminar molt propers. Llavors proposem un mètode ràpid per obtenir la distribució de la il•luminació d’un reflector i la seva comparació amb la il•luminació desitjada, i que treballa completament en la GPU. Finalment, proposem un nou mètode d’optimització global que permet trobar la solució en menys passos que molts altres mètodes d’optimització clàssics, i alhora evitant mínims locals.

Short-range structure of Pb(1-x)Ba(x)Zr(0.65)Ti(0.35)O(3) ceramic compounds probed by XAS and Raman scattering techniques

Ti K-edge x-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES) and Raman scattering were used to study the solid solution effects on the structural and vibrational properties of Pb(1-x)Ba(x)Zr(0.65)Ti(0.35)O(3) with 0.0 < x < 0.40. Compared with x-ray diffraction techniques, which indicates that the average crystal symmetry changes with the substitution of Pb by Ba ions or with temperature variations for samples with x=0.00, 0.10, and 0.20, local structural probes such as XANES and Raman scattering results demonstrate that at local level, the symmetry changes are much less prominent. Theoretical XANES spectra calculation corroborate with the interpretation of the XANES experimental data.

Liquid crystal beads constrained on thin cellulosic fibers: Electric field induced microrotors and N-I transition

We directly visualize the response of nematic liquid crystal drops of toroidal topology threaded in cellulosic fibers, suspended in air, to an AC electric field and at different temperatures over the N-I transition. This new liquid crystal system can exhibit non-trivial point defects, which can be energetically unstable against expanding into ring defects depending on the fiber constraining geometries. The director anchoring tangentially near the fiber surface and homeotropically at the air interface makes a hybrid shell distribution that in turn causes a ring disclination line around the main axis of the fiber at the center of the droplet. Upon application of an electric field, E, the disclination ring first expands and moves along the fiber main axis, followed by the appearance of a stable "spherical particle" object orbiting around the fiber at the center of the liquid crystal drop. The rotation speed of this particle was found to vary linearly with the applied voltage. This constrained liquid crystal geometry seems to meet the essential requirements in which soliton-like deformations can develop and exhibit stable orbiting in three dimensions upon application of an external electric field. On changing the temperature the system remains stable and allows the study of the defect evolution near the nematic-isotropic transition, showing qualitatively different behaviour on cooling and heating processes. The necklaces of such liquid crystal drops constitute excellent systems for the study of topological defects and their evolution and open new perspectives for application in microelectronics and photonics.

Water-in-Oil Micro-Emulsion Enhances the Secondary Structure of a Protein by Confinement

A scheme is presented in which an organic solvent environment in combination with surfactants is used to confine a natively unfolded protein inside an inverse microemulsion droplet. This type of confinement allows a study that provides unique insight into the dynamic structure of an unfolded, flexible protein which is still solvated and thus under near-physiological conditions. In a model system, the protein osteopontin (OPN) is used. It is a highly phosphorylated glycoprotein that is expressed in a wide range of cells and tissues for which limited structural analysis exists due to the high degree of flexibility and large number of post-translational modifications. OPN is implicated in tissue functions, such as inflammation and mineralisation. It also has a key function in tumour metastasis and progression. Circular dichroism measurements show that confinement enhances the secondary structural features of the protein. Small-angle X-ray scattering and dynamic light scattering show that OPN changes from being a flexible protein in aqueous solution to adopting a less flexible and more compact structure inside the microemulsion droplets. This novel approach for confining proteins while they are still hydrated may aid in studying the structure of a wide range of natively unfolded proteins.

Near infrared polarimetry of a sample of YSOs

Aims. Our goal is to study the physical properties of the circumstellar environment of young stellar objetcs (YSOs). In particular, the determination of the scattering mechanism can help us to constrain the optical depth of the disk and/or envelope in the near infrared. Methods. We used the IAGPOL imaging polarimeter along with the CamIV infrared camera at the LNA observatory to obtain near infrared polarimetry measurements in the H band of a sample of optically visible YSOs, namely, eleven T Tauri stars and eight Herbig Ae/Be stars. An independent determination of the disk (or jet) orientation was obtained for twelve objects from the literature. The circumstellar optical depth could then be estimated by comparing the integrated polarization position angle (PA) with the direction of the major axis of the disk projected onto the plane of the sky. Optically thin disks have, in general, a polarization PA that is perpendicular to the disk plane. In contrast, optically thick disks have polarization PAs parallel to the disks. Results. Among the T Tauri stars, three are consistent with having optically thin disks (AS 353A, RY Tau and UY Aur) and five with optically thick disks (V536 Aql, DG Tau, DO Tau, HL Tau and LkH alpha 358). Among the Herbig Ae/Be stars, two stars exhibit evidence of optically thin disks (Hen 3-1191 and VV Ser) and two of optically thick disks (PDS 453 and MWC 297). Our results seem consistent with optically thick disks at near infrared bands, which are more likely to be associated with younger YSOs. Marginal evidence of polarization reversal is found in RY Tau, RY Ori, WW Vul, and UY Aur. In the first three cases, this feature can be associated with the UXOR phenomenon. Correlations with the IRAS colors and the spectral index yielded evidence of an evolutionary segregation in which the disks tend to be optically thin when they are older.

Conformational stability of peanut agglutinin using small angle X-ray scattering

In this work, quaternary conformational studies of peanut agglutinin (PNA) have been carried out using small-angle X-ray scattering (SAXS). PNA was submitted to three different conditions: pH variation (2.5, 4.0, 7.4 and 9.0), guanidine hydrochloride presence (0.5-2 M) at each pH value, and temperature ranging from 25 to 60 degrees C. All experiments were performed in the absence and presence of T-antigen to evaluate its influence on the lectin stability. At room temperature and pH 4.0,7.4 and 9.0, the SAXS curves are consistent with the PNA scattering in its crystallographic native homotetrameric structure, with monomers in a jelly roll fold, associated by non-covalent bonds resulting in an open structure. At pH 2.5, the results indicate that PNA tends to dissociate into smaller sub-units, as dimers and monomers, followed by a self-assembling into larger aggregates. Furthermore, the conformational stability under thermal denaturation follows the pH sequence 7.4 > 9.0 > 4.0 > 2.5. Such results are consistent with the conformational behavior found upon GndHCl influence. The presence of T-antigen does not affect the protein quaternary structure in all studied systems within the SAXS resolution. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Scalable algorithms for height field illumination

Global illumination algorithms are at the center of realistic image synthesis and account for non-trivial light transport and occlusion within scenes, such as indirect illumination, ambient occlusion, and environment lighting. Their computationally most difficult part is determining light source visibility at each visible scene point. Height fields, on the other hand, constitute an important special case of geometry and are mainly used to describe certain types of objects such as terrains and to map detailed geometry onto object surfaces. The geometry of an entire scene can also be approximated by treating the distance values of its camera projection as a screen-space height field. In order to shadow height fields from environment lights a horizon map is usually used to occlude incident light. We reduce the per-receiver time complexity of generating the horizon map on N N height fields from O(N) of the previous work to O(1) by using an algorithm that incrementally traverses the height field and reuses the information already gathered along the path of traversal. We also propose an accurate method to integrate the incident light within the limits given by the horizon map. Indirect illumination in height fields requires information about which other points are visible to each height field point. We present an algorithm to determine this intervisibility in a time complexity that matches the space complexity of the produced visibility information, which is in contrast to previous methods which scale in the height field size. As a result the amount of computation is reduced by two orders of magnitude in common use cases. Screen-space ambient obscurance methods approximate ambient obscurance from the depth bu er geometry and have been widely adopted by contemporary real-time applications. They work by sampling the screen-space geometry around each receiver point but have been previously limited to near- field effects because sampling a large radius quickly exceeds the render time budget. We present an algorithm that reduces the quadratic per-pixel complexity of previous methods to a linear complexity by line sweeping over the depth bu er and maintaining an internal representation of the processed geometry from which occluders can be efficiently queried. Another algorithm is presented to determine ambient obscurance from the entire depth bu er at each screen pixel. The algorithm scans the depth bu er in a quick pre-pass and locates important features in it, which are then used to evaluate the ambient obscurance integral accurately. We also propose an evaluation of the integral such that results within a few percent of the ray traced screen-space reference are obtained at real-time render times.

High pressure near infrared study of the mutated light-harvesting complex LH2

The pressure sensitivities of the near infrared spectra of the light-harvesting (LH2) complex and a mutant complex with a simplified BChl-B850 binding pocket were compared. In the mutant an abrupt change in the spectral properties occurred at 250 MPa, which was not observed with the native sample. Increased disorder due to collapse of the chromophore pocket is suggested.

Interferometric technique for measuring terahertz antenna phase patterns

A quasi-optical interferometric technique capable of measuring antenna phase patterns without the need for a heterodyne receiver is presented. It is particularly suited to the characterization of terahertz antennas feeding power detectors or mixers employing quasi-optical local oscillator injection. Examples of recorded antenna phase patterns at frequencies of 1.4 and 2.5 THz using homodyne detectors are presented. To our knowledge, these are the highest frequency antenna phase patterns ever recovered. Knowledge of both the amplitude and phase patterns in the far field enable a Gauss-Hermite or Gauss-Laguerre beam-mode analysis to be carried out for the antenna, of importance in performance optimization calculations, such as antenna gain and beam efficiency parameters at the design and prototype stage of antenna development. A full description of the beam would also be required if the antenna is to be used to feed a quasi-optical system in the near-field to far-field transition region. This situation could often arise when the device is fitted directly at the back of telescopes in flying observatories. A further benefit of the proposed technique is simplicity for characterizing systems in situ, an advantage of considerable importance as in many situations, the components may not be removable for further characterization once assembled. The proposed methodology is generic and should be useful across the wider sensing community, e.g., in single detector acoustic imaging or in adaptive imaging array applications. Furthermore, it is applicable across other frequencies of the EM spectrum, provided adequate spatial and temporal phase stability of the source can be maintained throughout the measurement process. Phase information retrieval is also of importance to emergent research areas, such as band-gap structure characterization, meta-materials research, electromagnetic cloaking, slow light, super-lens design as well as near-field and virtual imaging applications.

Relationship between Crystal Shape, Photoluminescence, and Local Structure in SrTiO3 Synthesized by Microwave-Assisted Hydrothermal Method

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Fingerprints of short-range and long-range structure in BaZr1-xHfxO3 solid solutions: an experimental and theoretical study

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Relationship between Crystal Shape, Photoluminescence, and Local Structure in SrTiO3 Synthesized by Microwave-Assisted Hydrothermal Method

This paper describes the effect of using different titanium precursors on the synthesis and physical properties of SrTiO3 powders obtained by microwave-assisted hydrothermal method. X-ray diffraction measurements, X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy, field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) were carried out to investigate the structural and optical properties of the SrTiO3 spherical and cubelike-shaped particles. The appropriate choice of the titanium precursor allowed the control of morphological and photoluminescence (PL) properties of SrTiO3 compound. The PL emission was more intense in SrTiO3 samples composed of spherelike particles. This behavior was attributed to the existence of a lower amount of defects due to the uniformity of the spherical particles.

Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy

Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden.

Messung dynamischer Prozesse in der Nähe von Grenzflächen mit Hilfe neu entwickelter Lichtstreumethoden

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Erprobung zweier neuer dynamischer Lichtstreumethoden: Die Resonanz verstärkte Lichtstreuung (REDLS: resonance enhanced dynamic light scattering) und die Wellenleiter verstärkte Lichtstreuung (WEDLS: waveguide enhanced dynamic light scattering). Beide Methoden verwenden eine Kombination aus evaneszenten Wellen und dynamischer Lichtstreuung: Bei der REDLS-Technik wird das evaneszentes Feld eines Oberflächenplasmons verwendet, bei der WEDLS-Technik handelt es sich um das evaneszente Feld von Metallfilm verstärkten Leckwellenleitermoden. Die neuen Methoden liefern Informationen über die Dynamik an Grenzflächen über ein breites Zeitfenster (einige Nanosekunden bis hin zu mehreren Sekunden) mit einer räumlichen Auflösung im sub-Mikrometerbereich. Sie erweitern somit das Gebiet der dynamischen Lichtstreuung in evaneszenter Geometrie, bei dem bislang nur die evanescent wave dynamic light scattering (EWDLS) - Technik zur Verfügung stand. Bei der EWDLS-Technik wird das evaneszente Feld der Totalreflexion als kohärenter Lichtstrahl für die dynamische Lichtstreuung verwendet. Ein Vergleich mit der EWDLS-Technik zeigt ein stark erhöhtes Signal/Rausch-Verhältnis bei den neu entwickelten Techniken aufgrund der resonanten Anregung. Zusätzlich ist es sowohl bei der REDLS- als auch bei der WEDLS-Technik möglich Grenzflächenmodifikationen und damit z.B. Adsorptionsprozesse zu detektieren. Der Einfluss einer Grenzfläche auf die Diffusion von PS-Latex-Partikeln wurde untersucht. Die Grenzfläche bestand im Fall der REDLS-Technik aus Gold, bei der WEDLS-Technik aus PMMA. Die Funktionsweise und die Gültigkeit der neu entwickelten Techniken wurde mit Hilfe von PS-Latex-Partikeln mit hydrodynamischen Radien von R =11nm bis hin zu R=204nm demonstriert.

Nahfeld-induzierte Elektronenemissions-Mikrospektroskopie an stark gekoppelten Plasmonen und metallischen Mikrostrukturen

Plasmonen stellen elektromagnetische Moden in metallischen Strukturen dar, in denen die quasifreien Elektronen im Metall kollektiv oszillieren. Während des letzten Jahrzehnts erfuhr das Gebiet der Plasmonik eine rasante Entwicklung, basierend auf zunehmenden Fortschritten der Nanostrukturierungsmethoden und spektroskopischen Untersuchungsmethoden, die zu der Möglichkeit von systematischen Einzelobjektuntersuchungen wohldefinierter Nanostrukturen führte. Die Anregung von Plasmonen resultiert neben einer radiativen Verstärkung der optischen Streuintensität im Fernfeld in einer nicht-radiativen Überhöhung der Feldstärke in unmittelbarer Umgebung der metallischen Struktur (Nahfeld), die durch die kohärente Ladungsansammlung an der metallischen Oberfläche hervorgerufen wird. Das optische Nahfeld stellt folglich eine bedeutende Größe für das fundamentale Verständnis der Wirkung und Wechselwirkung von Plasmonen sowie für die Optimierung plasmonbasierter Applikationen dar. Die große Herausforderung liegt in der Kompliziertheit des experimentellen Zugangs zum Nahfeld, der die Entwicklung eines grundlegenden Verständisses des Nahfeldes verhinderte.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) bzw. -mikrospektroskopie genutzt, um ortsaufgelöst die Eigenschaften nahfeld-induzierter Elektronenemission zu bestimmen. Die elektrodynamischen Eigenschaften der untersuchten Systeme wurden zudem mit numerischen, auf der Finiten Integrationsmethode basierenden Berechnungen bestimmt und mit den experimentellen Resultaten verglichen.rnAg-Scheiben mit einem Durchmesser von 1µm und einer Höhe von 50nm wurden mit fs-Laserstrahlung der Wellenlänge 400nm unter verschiedenen Polarisationszuständen angeregt. Die laterale Verteilung der infolge eines 2PPE-Prozesses emittierten Elektronen wurde mit dem PEEM aufgenommen. Aus dem Vergleich mit den numerischen Berechnungen lässt sich folgern, dass sich das Nahfeld an unterschiedlichen Stellen der metallischen Struktur verschiedenartig ausbildet. Insbesondere wird am Rand der Scheibe bei s-polarisierter Anregung (verschwindende Vertikalkomponente des elektrischen Felds) ein Nahfeld mit endlicher z-Komponente induziert, während im Zentrum der Scheibe das Nahfeld stets proportional zum einfallenden elektrischen Feld ist.rnWeiterhin wurde erstmalig das Nahfeld optisch angeregter, stark gekoppelter Plasmonen spektral (750-850nm) untersucht und für identische Nanoobjekte mit den entsprechenden Fernfeldspektren verglichen. Dies erfolgte durch Messung der spektralen Streucharakteristik der Einzelobjekte mit einem Dunkelfeldkonfokalmikroskop. Als Modellsystem stark gekoppelter Plasmonen dienten Au Nanopartikel in sub-Nanometerabstand zu einem Au Film (nanoparticle on plane, NPOP). Mit Hilfe dieser Kombination aus komplementären Untersuchungsmethoden konnte erstmalig die spektrale Trennung von radiativen und nicht-radiativen Moden stark gekoppelter Plasmonen nachgewiesen werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen von großer Relevanz, da reine Nahfeldmoden durch den unterdrückten radiativen Zerfall eine große Lebensdauer besitzen, so dass deren Verstärkungswirkung besonders lange nutzbar ist. Ursachen für die Unterschiede im spektralen Verhalten von Fern- und Nahfeld konnten durch numerische Berechnungen identifiziert werden. Sie zeigten, dass das Nahfeld nicht-spärischer NPOPs durch die komplexe Oszillationsbewegung der Elektronen innerhalb des Spaltes zwischen Partikel und Film stark ortsabhängig ist. Zudem reagiert das Nahfeld stark gekoppelter Plasmonen deutlich empfindlicher auf strukturelle Störstellen des Resonators als die Fernfeld-Response. Ferner wurde der Elektronenemissionsmechanismus als optischer Feldemissionsprozess identifiziert. Um den Vorgang beschreiben zu können, wurde die Fowler-Nordheim Theorie der statischen Feldemission für den Fall harmonisch oszillierender Felder modifiziert.