Influence of atomic densities on propagation property for ultrashort pulses in a two-level medium

The influence of atomic densities on the propagation property for ultrashort pulses in a two-level atom (TLA) medium is investigated. With higher atomic densities, the self-induced transparency (SIT) cannot be recovered even for 2π ultrashort pulses. New features such as pulse splitting, red-shift and blue-shift of the corresponding spectra arise, and the component of central frequency gradually disappears.

Quantum optomechanics with silicon nanostructures

Mechanical resonators are the most basic and ubiquitous physical systems known. In on-chip form, they are used to process high frequency signals in every cell phone, television, and laptop. They have also been in the last few decades in different shapes and forms, a critical part of progress in quantum information sciences with kilogram-scale mirrors for gravitational wave detection measuring motion at its quantum limits, and the motion of single ions being used to link qubits for quantum computation.

Optomechanics is a field primarily concerned with coupling light to the motion of mechanical structures. This thesis contains descriptions of recent work with mechanical systems in the megahertz to gigahertz frequency range, formed by nanofabricating novel photonic/phononic structures on a silicon chip. These structures are designed to have both optical and mechanical resonances, and laser light is used to address and manipulate their motional degrees of freedom through radiation pressure forces. We laser cool these mechanical resonators to their ground states, and observe for the first time the quantum zero-point motion of a nanomechanical resonator. Conversely, we show that engineered mechanical resonances drastically modify the optical response of our structures, creating large effective optical nonlinearities not present in bulk silicon. We experimentally demonstrate aspects of these nonlinearities by proposing and observing ``electromagnetically induced transparency'' and light slowed down to 6 m/s, as well as wavelength conversion, and generation of nonclassical optical radiation. Finally, the application of optomechanics to longstanding problems in quantum and classical communications are proposed and investigated.

Nonlinear dynamic transfer functions for certain retinal neuronal systems

The applicability of the white-noise method to the identification of a nonlinear system is investigated. Subsequently, the method is applied to certain vertebrate retinal neuronal systems and nonlinear, dynamic transfer functions are derived which describe quantitatively the information transformations starting with the light-pattern stimulus and culminating in the ganglion response which constitutes the visually-derived input to the brain. The retina of the catfish, Ictalurus punctatus, is used for the experiments.

The Wiener formulation of the white-noise theory is shown to be impractical and difficult to apply to a physical system. A different formulation based on crosscorrelation techniques is shown to be applicable to a wide range of physical systems provided certain considerations are taken into account. These considerations include the time-invariancy of the system, an optimum choice of the white-noise input bandwidth, nonlinearities that allow a representation in terms of a small number of characterizing kernels, the memory of the system and the temporal length of the characterizing experiment. Error analysis of the kernel estimates is made taking into account various sources of error such as noise at the input and output, bandwidth of white-noise input and the truncation of the gaussian by the apparatus.

Nonlinear transfer functions are obtained, as sets of kernels, for several neuronal systems: Light → Receptors, Light → Horizontal, Horizontal → Ganglion, Light → Ganglion and Light → ERG. The derived models can predict, with reasonable accuracy, the system response to any input. Comparison of model and physical system performance showed close agreement for a great number of tests, the most stringent of which is comparison of their responses to a white-noise input. Other tests include step and sine responses and power spectra.

Many functional traits are revealed by these models. Some are: (a) the receptor and horizontal cell systems are nearly linear (small signal) with certain "small" nonlinearities, and become faster (latency-wise and frequency-response-wise) at higher intensity levels, (b) all ganglion systems are nonlinear (half-wave rectification), (c) the receptive field center to ganglion system is slower (latency-wise and frequency-response-wise) than the periphery to ganglion system, (d) the lateral (eccentric) ganglion systems are just as fast (latency and frequency response) as the concentric ones, (e) (bipolar response) = (input from receptors) - (input from horizontal cell), (f) receptive field center and periphery exert an antagonistic influence on the ganglion response, (g) implications about the origin of ERG, and many others.

An analytical solution is obtained for the spatial distribution of potential in the S-space, which fits very well experimental data. Different synaptic mechanisms of excitation for the external and internal horizontal cells are implied.

Three-dimensional nonlinear inelastic analysis of steel moment-frame buildings damaged by earthquake excitations

The Northridge earthquake of January 17, 1994, highlighted the two previously known problems of premature fracturing of connections and the damaging capabilities of near-source ground motion pulses. Large ground motions had not been experienced in a city with tall steel moment-frame buildings before. Some steel buildings exhibited fracture of welded connections or other types of structural degradation.

A sophisticated three-dimensional nonlinear inelastic program is developed that can accurately model many nonlinear properties commonly ignored or approximated in other programs. The program can assess and predict severely inelastic response of steel buildings due to strong ground motions, including collapse.

Three-dimensional fiber and segment discretization of elements is presented in this work. This element and its two-dimensional counterpart are capable of modeling various geometric and material nonlinearities such as moment amplification, spread of plasticity and connection fracture. In addition to introducing a three-dimensional element discretization, this work presents three-dimensional constraints that limit the number of equations required to solve various three-dimensional problems consisting of intersecting planar frames.

Two buildings damaged in the Northridge earthquake are investigated to verify the ability of the program to match the level of response and the extent and location of damage measured. The program is used to predict response of larger near-source ground motions using the properties determined from the matched response.

A third building is studied to assess three-dimensional effects on a realistic irregular building in the inelastic range of response considering earthquake directivity. Damage levels are observed to be significantly affected by directivity and torsional response.

Several strong recorded ground motions clearly exceed code-based levels. Properly designed buildings can have drifts exceeding code specified levels due to these ground motions. The strongest ground motions caused collapse if fracture was included in the model. Near-source ground displacement pulses can cause columns to yield prior to weaker-designed beams. Damage in tall buildings correlates better with peak-to-peak displacements than with peak-to-peak accelerations.

Dynamic response of tall buildings shows that higher mode response can cause more damage than first mode response. Leaking of energy between modes in conjunction with damage can cause torsional behavior that is not anticipated.

Various response parameters are used for all three buildings to determine what correlations can be made for inelastic building response. Damage levels can be dramatically different based on the inelastic model used. Damage does not correlate well with several common response parameters.

Realistic modeling of material properties and structural behavior is of great value for understanding the performance of tall buildings due to earthquake excitations.

The steady-state response of multidegree-of-freedom systems with a spatially localized nonlinearity

This thesis is concerned with the dynamic response of a General multidegree-of-freedom linear system with a one dimensional nonlinear constraint attached between two points. The nonlinear constraint is assumed to consist of rate-independent conservative and hysteretic nonlinearities and may contain a viscous dissipation element. The dynamic equations for general spatial and temporal load distributions are derived for both continuous and discrete systems. The method of equivalent linearization is used to develop equations which govern the approximate steady-state response to generally distributed loads with harmonic time dependence.

The qualitative response behavior of a class of undamped chainlike structures with a nonlinear terminal constraint is investigated. It is shown that the hardening or softening behavior of every resonance curve is similar and is determined by the properties of the constraint. Also examined are the number and location of resonance curves, the boundedness of the forced response, the loci of response extrema, and other characteristics of the response. Particular consideration is given to the dependence of the response characteristics on the properties of the linear system, the nonlinear constraint, and the load distribution.

Numerical examples of the approximate steady-state response of three structural systems are presented. These examples illustrate the application of the formulation and qualitative theory. It is shown that disconnected response curves and response curves which cross are obtained for base excitation of a uniform shear beam with a cubic spring foundation. Disconnected response curves are also obtained for the steady-state response to a concentrated load of a chainlike structure with a hardening hysteretic constraint. The accuracy of the approximate response curves is investigated.

Stationary random response of multidegree-of-freedom systems

An approximate approach is presented for determining the stationary random response of a general multidegree-of-freedom nonlinear system under stationary Gaussian excitation. This approach relies on defining an equivalent linear system for the nonlinear system. Two particular systems which possess exact solutions have been solved by this approach, and it is concluded that this approach can generate reasonable solutions even for systems with fairly large nonlinearities. The approximate approach has also been applied to two examples for which no exact or approximate solutions were previously available.

Also presented is a matrix algebra approach for determining the stationary random response of a general multidegree-of-freedom linear system. Its derivation involves only matrix algebra and some properties of the instantaneous correlation matricies of a stationary process. It is therefore very direct and straightforward. The application of this matrix algebra approach is in general simpler than that of commonly used approaches.

The Physiology and Computation of Pyramidal Neurons

A variety of neural signals have been measured as correlates to consciousness. In particular, late current sinks in layer 1, distributed activity across the cortex, and feedback processing have all been implicated. What are the physiological underpinnings of these signals? What computational role do they play in the brain? Why do they correlate to consciousness? This thesis begins to answer these questions by focusing on the pyramidal neuron. As the primary communicator of long-range feedforward and feedback signals in the cortex, the pyramidal neuron is set up to play an important role in establishing distributed representations. Additionally, the dendritic extent, reaching layer 1, is well situated to receive feedback inputs and contribute to current sinks in the upper layers. An investigation of pyramidal neuron physiology is therefore necessary to understand how the brain creates, and potentially uses, the neural correlates of consciousness. An important part of this thesis will be in establishing the computational role that dendritic physiology plays. In order to do this, a combined experimental and modeling approach is used.

This thesis beings with single-cell experiments in layer 5 and layer 2/3 pyramidal neurons. In both cases, dendritic nonlinearities are characterized and found to be integral regulators of neural output. Particular attention is paid to calcium spikes and NMDA spikes, which both exist in the apical dendrites, considerable distances from the spike initiation zone. These experiments are then used to create detailed multicompartmental models. These models are used to test hypothesis regarding spatial distribution of membrane channels, to quantify the effects of certain experimental manipulations, and to establish the computational properties of the single cell. We find that the pyramidal neuron physiology can carry out a coincidence detection mechanism. Further abstraction of these models reveals potential mechanisms for spike time control, frequency modulation, and tuning. Finally, a set of experiments are carried out to establish the effect of long-range feedback inputs onto the pyramidal neuron. A final discussion then explores a potential way in which the physiology of pyramidal neurons can establish distributed representations, and contribute to consciousness.

Tsunamis - a model of their generation and propagation

A general solution is presented for water waves generated by an arbitrary movement of the bed (in space and time) in a two-dimensional fluid domain with a uniform depth. The integral solution which is developed is based on a linearized approximation to the complete (nonlinear) set of governing equations. The general solution is evaluated for the specific case of a uniform upthrust or downthrow of a block section of the bed; two time-displacement histories of the bed movement are considered.

An integral solution (based on a linear theory) is also developed for a three-dimensional fluid domain of uniform depth for a class of bed movements which are axially symmetric. The integral solution is evaluated for the specific case of a block upthrust or downthrow of a section of the bed, circular in planform, with a time-displacement history identical to one of the motions used in the two-dimensional model.

Since the linear solutions are developed from a linearized approximation of the complete nonlinear description of wave behavior, the applicability of these solutions is investigated. Two types of non-linear effects are found which limit the applicability of the linear theory: (1) large nonlinear effects which occur in the region of generation during the bed movement, and (2) the gradual growth of nonlinear effects during wave propagation.

A model of wave behavior, which includes, in an approximate manner, both linear and nonlinear effects is presented for computing wave profiles after the linear theory has become invalid due to the growth of nonlinearities during wave propagation.

An experimental program has been conducted to confirm both the linear model for the two-dimensional fluid domain and the strategy suggested for determining wave profiles during propagation after the linear theory becomes invalid. The effect of a more general time-displacement history of the moving bed than those employed in the theoretical models is also investigated experimentally.

The linear theory is found to accurately approximate the wave behavior in the region of generation whenever the total displacement of the bed is much less than the water depth. Curves are developed and confirmed by the experiments which predict gross features of the lead wave propagating from the region of generation once the values of certain nondimensional parameters (which characterize the generation process) are known. For example, the maximum amplitude of the lead wave propagating from the region of generation has been found to never exceed approximately one-half of the total bed displacement. The gross features of the tsunami resulting from the Alaskan earthquake of 27 March 1964 can be estimated from the results of this study.

半导体量子阱中传播效应对子带间拉比振荡的影响

通过求解麦克斯韦-布洛赫方程组，分别在存在传播效应和无传播效应两种情况下，研究了调制掺杂的半导体量子阱中子带间的拉比振荡。研究发现，与电子-电子之间的相互作用的非线性相比较，传播效应对拉比振荡的影响更大；在不考虑传播效应时，脉冲可以使量子阱中的电子实现一次完整的布居反转，但是当传播效应存在情况下，完全的粒子数反转已不能实现。另外，研究还发现通过改变载流子的密度可以改变传播效应所产生的影响。

Análise de ligações tubulares T com reforço de chapa.

O uso de perfis estruturais tubulares vem aumentando em grande escala no mundo, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levando a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. Diante deste fato, no Brasil, o uso desses perfis era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. A situação do mercado brasileiro começou a se alterar em razão da maior oferta desses perfis proporcionada pelo início da produção pela V&M do BRASIL no ano de 2000. Sendo assim, diante da novidade da tecnologia, impõe-se a necessidade de divulgação e implementação do uso desse tipo de perfil, além de uma ampliação do número de trabalhos de pesquisa para melhor compreensão de seu comportamento estrutural. O presente trabalho apresenta uma análise paramétrica de ligação reforçada tipo T, através da determinação da resistência última da ligação obtida pelo critério de deformação limite proposto por diversos pesquisadores, comparando os resultados com as prescrições do Eurocode 3, do Projeto de Norma Brasileira PN 02.125.03-004 e do CIDECT. As ligações objeto deste estudo são compostas por perfil tubular retangular (RHS) no banzo e perfis circulares (CHS) nos montantes. Nestas análises verificou-se a influência do reforço na região de encontro de banzo e montante, bem como a influência do esforços atuantes no banzo no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente dessa ligação. Os modelos em elementos finitos, foram desenvolvidos no programa Ansys 12.0. Como resultado final deste trabalho é apresentado o comportamento da ligação tipo T com reforço para diversos tipos de perfis (banzo e montante) e diferentes espessuras da chapa de reforço, fazendo comparação com o dimensionamento proposto pelo Projeto de Norma Brasileira PN 02.125.03-004.

Avaliação da influência do esforço normal no banzo no comportamento de ligações tubulares em aço.

A demanda pelo uso de perfis tubulares em estruturas na construção civil tem tido grande avanço no Brasil, apesar de ser, há muito tempo, amplamente empregado na Europa e países desenvolvidos. O lançamento de uma norma técnica brasileira específica para dimensionamento de perfis tubulares confirma esta tendência, havendo então a necessidade de uma maior divulgação e execução de estudos e trabalhos de pesquisa para uma melhor compreensão e desenvolvimento desta tecnologia. O presente trabalho apresenta uma análise da influência da aplicação de esforço normal no banzo no comportamento de ligações tubulares do tipo T. No desenvolvimento deste trabalho, foram realizados seis ensaios em laboratório com ligações do tipo T com perfis do tipo RHS para o banzo e SHS para o montante, sendo utilizados perfis conformados a frio para composição das ligações ensaiadas. Do total dos ensaios foram executados dois ensaios sem aplicação de esforço normal no banzo; dois com aplicação de esforço normal de compressão e dois com aplicação de esforço normal de tração. A resistência última das ligações nos ensaios foi obtida por meio do Critério de Deformação Limite proposto por diversos pesquisadores. Estes resultados foram comparados com os resultados obtidos em modelos numéricos em elementos finitos desenvolvidos no programa ANSYS 12.0, sendo considerado nestes modelos as não-linearidades geométricas e de material. Estes resultados também foram comparados com os resultados teóricos obtidos com base nas prescrições constantes nas normas Eurocode 3; norma brasileira NBR 16239 e do CIDECT. Conclui-se com este estudo que os resultados obtidos tanto nos ensaios experimentais quanto nos modelos numéricos ficaram a favor da segurança quando comparados com os valores teóricos obtidos pelas normas Eurocode 3 e NBR 16239:2013 e CIDECT com o banzo sem aplicação de esforço normal e com aplicação de esforço normal de compressão de até 60% e 80 % da carga de plastificação do banzo, respectivamente, para o Eurocode 3/NBR16239:2013 e para o CIDECT. As resistências obtidas para as ligações com a aplicação de esforço normal de tração no banzo foram superiores aos resultados teóricos no caso estudado.

Avaliação de ligações entre perfis tubulares em aço submetidas a esforços de flexão.

Os perfis tubulares sem costura são largamente utilizados em diversos países, porém, no Brasil, o uso desses perfis na construção civil era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. Considerando uma nova realidade para o uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com perfis tubulares quadrados (SHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346 através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Verificou-se a influência do momento atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação trilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A nãolinearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Os resultados numéricos são avaliados para a ligação em estudo quanto aos modos de falha e a distribuição de tensões. A análise dos momentos resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentou valores excessivamente a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento é proposto.

Análise Completa das Fibras de Bragg de Núcleo Oco.

A evolução nos sistemas digitais de comunicação está intrinsicamente relacionada ao desenvolvimento da tecnologia de fibras ópticas. Desde a sua criação, na década de 60, inúmeras pesquisas vem sendo realizadas com o intuito de aumentar a capacidade de informação transmitida, por meio da redução da atenuação, controle da dispersão cromática e eliminação das não-linearidades. Neste contexto, as Fibras de Bragg surgem como uma estrutura de grande potencialidade para se minimizar tais inconvenientes. As fibras de Bragg possuem um mecanismo de operação diferente em relação às fibras tradicionais de suportar os modos confinados. Nelas, o núcleo possui um baixo índice de refração, e a casca é constituída por anéis dielétricos de diferentes índices de refração, alocados alternadamente. Para uma fibra de Bragg com núcleo oco, como a considerada neste trabalho, há perdas decorrentes dos modos de fuga. Portanto, a análise da dispersão destas estruturas se situa no plano complexo, tornando-a muito difícil. Esta dissertação será fundamentada em uma estratégia imprescindível à análise dos modos transversais TE0m, TM0m e dos híbridos. Os resultados encontrados são validados confrontando-os com os obtidos na literatura. O trabalho discutirá as perdas e dispersões dos modos citados, e os resultados obtidos poderão nortear as pesquisas das fibras de Bragg.

Comportamento estrutural de vigas casteladas em aço inoxidável.

As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança.

Avaliação de ligações tubulares tipo T entre CHS com reforço tipo chapa.

Os perfis tubulares sem costura são utilizados em diversos países, principalmente devido às vantagens associadas à estética a sua elevada resistência à torção, cargas axiais e efeitos combinados. Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda utilizam de forma veemente estas estruturas e possuem produção contínua e industrializada com alto nível de desenvolvimento tecnológico. O Brasil, porém, se limitava praticamente ao uso destes perfis nas coberturas espaciais. Devido ao aumento da utilização desses tipos de estruturas, fez-se necessário o aprofundamento dos estudos com métodos de análise coerentes para utilização de perfis tubulares, principalmente em relação às ligações, pois são consideradas regiões vulneráveis neste tipo de estrutura. Para atender a necessidade de normatização deste procedimento desenvolveu-se uma norma brasileira específica para o dimensionamento de estruturas em perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com reforço tipo chapa com perfis tubulares circulares (CHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346. Desenvolveu-se no programa Ansys um modelo de elementos finitos para cada tipo de ligação analisada, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. Verificou-se a influência da compressão atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A nãolinearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação bilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizada. A análise dos esforços resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentaram valores a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Por fim um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento foi também proposto.