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Tesis > TEMA

Física [ 418 tesis ]

Óptica [ 20 tesis ]

Gil, Mirta Alicia. "Aberraciones en espectrómetros de red plana" (1981) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Ratto, Jorge Oscar. "Aberraciones en procesadores ópticos" (1981) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Depine, Ricardo Angel. "Teoría de eficiencia de redes de difracción" (1982) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Marconi, Mario Carlos. "Obtención de pulsos de alta potencia en radiación laser por medio de un nuevo método en la conmutación de la cavidad de oscilación" (1985) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Hnilo, Alejandro Andrés. "Comportamiento dinámico y problema del diseño de etapas amplificadoras de láseres de colorantes orgánicos" (1985) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Landi, Sandra Marcela. "Efectos térmicos en microscopía túnel asistida por láser" (1999) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En la mayoria de los experimentos de microscopía túnel asistida por láser, se modula la intensidad de la luz incidente, a fin de discriminar la señal fotoinducida de la corriente túnel normal, y obtener la información adicional producida por la radiación. Al iluminar la muestra con un haz modulado en intensidad, la absorción no resonante de la luz produce la dilatación térmica de la punta y de la muestra a la frecuencia de modulación, oscureciendo otros posibles efectos inducidos por la radiación. Este ruido térmico limita el empleo de luz modulada, en los experimentos de fluorescencia u óptica no lineal de campo cercano, en los que se desea una alta resolución espacial. En esta tesis se propone un método en el cual la expansión térmica a la frecuencia de modulación puede ser reducida varios órdenes de magnitud. El método se basa en la iluminación de la muestra con la interferencia producida por dos haces con diferentes direcciones de propagación y frecuencias de modulación. El patrón de interferencia así formado da lugar a variaciones espacialmente periódicas de temperatura en la superficie de la muestra. Al variar la frecuencia de modulación de uno de los haces respecto al otro, la fase del patrón de interferencia se mueve dando lugar a ondas viajeras dentro de la zona iluminada. Se midió la reducción en la señal inducida con este esquema de ondas viajeras, obteniendo una reducción de más de tres órdenes de magnitud en la componente térmica de la señal.

Abstract:
Modulating the light intensity is a common technique for extracting the light induced information from background signal and noise in laser assisted scanning tunneling microscopy. When irradiating the sample with a modulated light intensity. nonresonant light absorption results in tip and sample heating and expansion at the modulation frequency, obscuring other possible laser induced mechanisms. This thermal noise limits the use of light modulation when very high spatial resolution is desired in fluorescence or nonlinear optics near field experiments. In this thesis we describe a method in which the thermal expansion at the modulation frequency can be reduced by orders of magnitude. The method is based on the irradiation of the sample with two interfering laser beams at different frequencies and incidence direction. When two light waves with different directions are superimposed, the interference pattern gives rise to spatially periodic temperature variations (thermal gratings). If the frequency of one of the beams is slightly shifted from that of the other beam, the phase of the interference pattem will move, giving light fringes travelling in the illuminated zone. In order to measure the quenching of the thermal expansion with this travelling fringe scheme, the reduction of the signal induced in a scanning tunneling microscope at the modulation frequency due to the optical heating was measured. With this setup, the thermally induced current was reduced more than three orders of magnitude.

Larotonda, Miguel Antonio. "Láser de ND:YAG con Mode-Locking por lente de Kerr bombeado por diodos" (2002) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En los últimos años se han hecho progresos significativos en el estudio y desarrollo de láseres de estado sólido. La mayoría de los avances se basan en el desarrollo de nuevos materiales láser, fuentes de excitación óptica más eficientes y más potentes, y nuevos conceptos en geometría de cristales y diseños de láseres. El presente trabajo está dirigido al diseño, análisis y caracterización de sistemas láser de estado totalmente sólido con Mode-Locking pasivo por efecto Kerr (KLM). Se entiende por un sistema de estado totalmente sólido a un láser de estado sólido excitado por medio de un láser semiconductor o diodo láser. Tales sistemas combinan la robustez y practicidad de los materiales en estado sólido como medios activos con las ventajas de los láseres semiconductores con fuentes de bombeo frente a otros sistemas tradicionales (precio, potencia disponible, diseño compacto). En particular, en esta Tesis se estudia un láser de Nd:YAG como fuente de pulsos de picosegundos y se obtiene por primera vez KLM en láser de Nd:YAG bombeado por diodos. Se establecen las pautas para el diseño de la cavidad del láser pulsado, al maximizar los efectos no lineales que producen los pulsos. Asimismo, se plantea y discute un modelo simple que reproduce las características principales del sistema, teniendo en cuenta sólo la potencia y duración de los pulsos como variables. También se estudian regímenes de funcionamiento anómalo de varios pulsos por tránsito, y el fenómeno de auto-modulación de amplitud como generador de los mismos. Finalmente, se desarrolla una forma de cuantificar el efecto de modulación de amplitud no lineal, de manera de poder incluir este efecto en diseños o estudios de cavidades para láser KLM. De esta forma, se agregan herramientas para el estudio y diseño de láseres de ancho de banda angosto.

Abstract:
In recent years, significant progress has been achieved on the study and development of all-solid-state lasers. Most of this improvement is based on the development of new laser materials (new concepts in crystal geometry), optical pumping sources with improved efficiency and power, and new concepts on laser cavity design. This work is devoted to the design, study and characterization of Kerr-Lens mode locking (KLM) in all-solid-state laser systems. For all-solid-state system is intended a diode-pumped solid state (ion) laser. Such systems combine the robustness and practical features of solid state materials as active media with the advantages of semiconductor laser pumping, compared with traditional pumping systems (price, available power, compact design). In particular, in this Thesis, a Nd:YAG laser as a picosecond pulse source is studied and KLM is obtained for the first time in diode-pumped Nd:YAG laser. A specific outline for the pulsed laser cavity design is established, maximizing the non-linear effects that generate the pulses. Also, a simple model that reproduces the main features of the system is stated and discussed. Anomalous regimes of many pulses per round-trip, and the self-amplitude modulation phenomenon as its generator are studied as well. Finally, in order to be able to include this effect in designing or studying KLM laser cavities, a way of quantifying this non-linear amplitude modulation effect is developed. In this manner, we improve the ability of understanding narrow bandwidth pulsed laser systems.

Costantino, Santiago. "Interferometría de banda ancha para la medición de espesores" (2003) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis se presenta el desarrollo de la técnica interferometría de banda ancha en oposición a la interferometría de luz blanca como un método para medir espesores de líquidos y láminas delgadas. Es posible ganar precisión en la medición reduciendo el ancho de banda de la fuente para evitar las distorsiones causadas por la dispersión del material. A partir del análisis de este efecto se refiita el dogma establecido de que el mayor ancho de banda posible es el óptimo. Se demuestra que el conocimiento preciso de la dependencia del índice de refracción con la longitud de onda es imprescindible para una medición adecuada del espesor de un medio dispersivo. El dispositivo experimental presentado es, además, adecuado para obtener esta dependencia con suficiente resolución. En el marco del desarrollo de una técnica capaz de medir con eficiencia espesores de lubricantes, pinturas y barnices, se ilustran los alcances del sistema con la medición del espesor de aceite de siliconas sobre una superficie plana en tiempo real. Finalmente se propone una modificación al esquema experimental con el objetivo de reducir el espesor mínimo mensurable. Se presenta el desarrollo de la Interferometría de tres ondas como la solución para ampliar el rango dinámico de la interferometría de banda ancha.

Abstract:
In this thesis a new technique called Wide Band interferometry is presented as opposed to White-light interferometry to introduce a thickness measurement method for thin films and liquids. It is possible to gain precision by reducing the bandwidth of the light source in order to avoid distortions arising from the material dispersion. The established dogma that the widest possible bandwidth is the optimum falls after the analysis of this effect. It is shown that the precise knowledge of the frequency dependence of the refractive index is essential for an adequate thickness retrieval in optical experiments. The experimental device that is presented is also useful to obtain this information with enough resolution. Regarding the development of a method that allows to efficiently measure the thickness of lubricants, paints and varnishes, an experiment that shows the spreading of a silicone oil on a plane surface in real time is shown. Finally, a modification to the experimental setup is proposed in order to reduce the minimum measurable thickness. Three Wave interferometry is presented as a solution to increase the dynamic range of Wide Band interferometry.

Federico, Roque Alejandro. "Reducción del ruido coherente y determinación de la fase óptica en interferometría digital de speckle usando la transformada wavelet" (2003) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta Tesis se presentan nuevos métodos basados en la transformada wavelet para filtrar el ruido de speckle y obtener distribuciones de fase en interferometría digital de speckle (DSPI). La performance de estos métodos se determina usando franjas simuladas por computadora y también se muestran aplicaciones en franjas experimentales. El método propuesto para la reducción del ruido de speckle se basa en el descarte de los coeficientes pertenecientes a las sub-bandas de la descomposición wavelet. La performance de este método se analiza y se compara con los resultados obtenidos mediante otras técnicas de filtrado que utilizan el wavelet shrinkage basada en los criterios estadísticos de hard y soft thresholding. Se muestra que el método de descarte de sub-bandas puede reducir más eficientemente el ruido de speckle que otras técnicas de filtrado. También se proponen dos métodos para recuperar la distribución de fase a partir de un único interferograma de DSPI, basados en la transformada wavelet continua y en el uso de una distribución suavizada. Ambos métodos no requieren de la aplicación de un algoritmo de desenvoltura de la fase o la introducción de franjas portadoras en el interferómetro. Estos métodos permiten obtener los gradientes de la distribución de fase a lo largo de un camino de pixels y el mapa de fase se determina por integración. Se demuestra que las franjas que cumplen con el límite asintótico analítico pueden ser procesadas por el método de la transformada wavelet en la aproximación de fase estacionaria. El uso de una distribución de Wigner-Ville con un kernel de suavizado de tipo gaussiano obtiene resultados más precisos que el método de la transformada wavelet continua. Se evalúa la influencia del proceso de filtrado y se discuten las limitaciones adicionales que se presentan en sus aplicaciones.

Abstract:
New methods based on the wavelet transform to reduce speckle noise and to evaluate optical phase distributions in digital speckle pattern interferometry (DSPI) are presented. The performance of these methods is determined using computer simulated DSPI fringes and also experimental data. The method for speckle noise reduction is based on the level-dependent removal of the wavelet coefficients of the transformed image. The performance of this method is analysed and compared with the results obtained with the denoising techniques that use wavelet shrinkage based on soft and hard thresholding criteria. It is shown that the wavelet subband removal method reduces speckle noise and maintains image features more effectively than wavelet shrinkage techniques. To retrieve optical phase distributions in DSPI, the continuous wavelet transform in the stationary phase aproximation and a smoothed distribution are proposed. Both techniques do not need the application of a phase unwrapping algorithm neither the introduction of carrier fringes in the interferometer. Phase gradients are found along a pixel path from a single DSPI image and the phase distribution is finally determined by integration. It is shown that only DSPI fringes that verify the analytic asymptotic limit can be processed with the continuous wavelet transform method. It is also shown that a Wigner-Ville distribution with a smoothing Gaussian kernel gives more accurate results than the methods based on the continuous wavelet transform. The influence of the filtering process to smooth the DSPI fringes and additional drawbacks that emerge when these methods are applied are finally discussed.

Kovalsky, Marcelo G.. "Dinámica de un láser de Ti: Zafiro de femtosegundos" (2004) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El láser de Ti:Zafiro es la fuente más difundida de pulsos ultracortos en la actualidad. No obstante, y pese a su amplia difusión en vastos campos de aplicaciones, numerosos aspectos de su comportamiento permanecían poco explorados. El presente trabajo está dirigido a un estudio exhaustivo de la dinámica del láser de Ti:Zafiro con mode locking por efecto Kerr. Por un lado se desarrolla un modelo teórico basado en mapas iterativos. Los modos de operación conocidos del láser son naturalmente obtenidos con el mapa que tiene como variables el tamaño del haz, curvatura, duración de pulso, chirp y energía. Se obtienen las regiones de estabilidad de cada modo y se determinan sus comportamientos característicos. Por otro lado se determinan experimentalmente las propiedades estructuralmente estables predichas por el modelo, encontrando pleno acuerdo entre la experiencia y el modelo de mapas. Se muestra experimentalmente que las inestabilidades pulso a pulso en la salida del láser son usuales y pueden afectar alguna de las variables dejando inalteradas las otras. Se describe una forma simple de detectarlas y eliminarlas. A partir de la obtención experimental de series temporales de mode locking de los dos modos pulsados del láser se confirma que el comportamiento del láser responde al caos deterrninístico de baja dimensión y se determina, para cada modo, su ruta al caos. De las series temporales generadas por el mapa se obtienen los mismos atractores que los hallados experimentalmente. Como aplicación de los conocimientos generados se propone un algoritmo de control del caos que permite optimizar las prestaciones del láser, reduciendo la duración de pulso a valores cercanos a los lOfs.

Abstract:
The Ti:Sapphire laser is the most widely used source of femtosecond pulses. However, and in spite of its applications in many fields of science, several of its dynamical properties remain poorly known. In this work an exhaustive study of the dynamics of the Kerr - lens mode locked Ti:Sapphire laser is presented. On the one hand, a theoretical model based on iterative maps is developed. The observed modes of operation are naturally obtained from a description based on an iterative map of five pulse variables, beam size, curvature, pulse duration, chirp and energy. The stability regions for each mode are obtained as well as its characteristic behaviors. On the other hand, the structurally stable properties of the system are experimentally found, observing a good agreement between the experiment and the model. It is experimentally shown that pulse to pulse instabilities in the output of the laser are usual and they can affect some of the pulse variables and not others. A simple way to detect and eliminate the instabilities is described. Experimental time series of the two pulsed model are obtained. From this series the chaotic low dimensional deterministic behavior is confirmed and the route to chaos in each case is established. The same attractors are obtained from the simulated series. As an application of the model, an algorithm of control of chaos that allows reach shorter pulse duration, close to lO fs, is presented.

Estrada, Laura Cecilia. "Espectroscopía de correlación de fluorescencia en la nanoescala" (2009) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta Tesis se propone una nueva técnica que combina las ventajas de las microscopías basadas en la fuorescencia, con la altísima resolucióon espacial de las microscopías de campo cercano. El principio de funcionamiento de la Espectroscopía de Correlación de Campo Cercano que se presenta en este trabajo, se basa en la existencia de campos electromagnéticos fuertemente intensificados y confinados alrededor de nanopartículas metálicas, NPs. Este efecto aparece cuando la NP se ilumina con un haz cuya frecuencia corresponde a alguna de las frecuencias de resonancia de los electrones en el metal. Experimentos utilizando NPs esféricas de oro de 40 nm de radio, y una solución de Rosa de Bengala 150 microM en glicerol 80% en agua, demuestran una reducción del volumen de observación de alrededor de 4 órdenes de magnitud. Se mostró que es posible extender el uso de la Espectroscopía de Correlación de Campo Cercano al estudio de células vivas. Finalmente, se estudian exhaustivamente las propiedades de emisión de moléculas fluorescentes a distancias nanométricas de NPs metálicas. Se analiza el efecto de la separación NP-molécula; la eficiencia cuántica de fluorescencia, la orientación, las propiedades de absorción y emisión de la molécula; y el tamaño y la geometría de las NPs sobre la emisión de las moléculas.

Abstract:
In this Thesis we present a new technique which combine the advantages of the fluorescence based spectroscopies with the super resolution of the near field microscopies. This technique is based on the strong electromagnetic field localized in the proximity of metallic nanoparticles, NPs. This effect appears when a NP is irradiated with the resonance frequency of the electrons in the metal. Our experimental results using gold NPs and a 150 microM Rose Bengal solution in glycerol confirm a 4 orders of magnitude reduction in the observation volume. Experiments in cell membranes show that it is possible to use this technique even in living cells. Finally, we studied intensively the emission properties of fluorescent molecules at nanometric distances from metallic NPs. We analysed carefully the effect of NP-molecule separation, intrinsic molecule quantum yield, and molecule absorption and emission spectra to design new probes based on molecules coupled to MNPs

Capeluto, María Gabriela. "Nanolitografía y metrología de alta precisión en el ultravioleta extremo" (2009) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta Tesis se discute el empleo de un láser de Ar ionizado, que emite a 46.9nm, en dos aplicaciones de gran importancia tecnológica. La primera es el desarrollo de un sistema de litografía compacto capaz de producir nano-estructuras con dimensiones típicas por debajo de 100nm. La segunda consiste en el diseño de un interferómetro por corrimiento de fase que potencialmente permitirá alcanzar una resolución mayor que los instrumentos actualmente disponibles Las experiencias de fotolitografía realizadas muestran que es posible llevar a cabo procesos de nanofabricación con un dispositivo compacto y más versátil que los ya desarrollados para luz sincrotrón. Se analizaron varias configuraciones experimentales para implementar litografía de proximidad, litografía de proyección y litografía interferométrica con dos y cuatro haces. El experimento de litografía de proximidad fue realizado como prueba de principios y es la primera demostración de que el PMMA puede ser activado con los fotones provenientes del láser de 46.9nm. En este caso el detalle con tamaño más chico que se logró grabar en la muestra fue de 120nm. Un arreglo de agujeros de 360nm de diámetro y 20nm de profundidad, fue impreso utilizando la técnica de litografía de proyección. La técnica de litografía interferométrica se llevó a cabo, primero, utilizando un espejo de Lloyd mediante el cual el menor período que se logró transferir fue de 55nm. Posteriormente se realizó un experimento en el que, mediante el empleo de cuatro redes de difracción, se producen cuatro haces coherentes que interfieren para generar una distribución de intensidad que consiste en un arreglo de puntos luminosos. En este caso el tamaño de los agujeros fue del orden de los 60nm, consistente con el diseño de las redes. El estudio de la segunda aplicación, interferometría por corrimiento de fase en el ultravioleta extremo, está motivado por el hecho de que un dispositivo que trabaje en ese rango de longitudes de onda permitiría, en principio, alcanzar una precisión muchas veces mayor que la obtenida con interferómetros que utilicen luz visible. Con este fin se diseñó, en primera instancia, un interferómetro apropiado para trabajar en ultravioleta extremo. Posteriormente se desarrolló un modelo capaz de simular la propagación del láser en el dispositivo. Para ello se tuvieron en cuenta las características de la emisión de la fuente luminosa, es decir, se analizaron los efectos producidos por las fluctuaciones en puntería del haz de iluminacion. Asimismo se analizó el comportamiento de los errores en la reconstrucción del frente de ondas como función de la tolerancia en los parámetros de emisión.

Abstract:
In this work we exploit the main features of a 46.9nm table-top laser, such as high coherence and high power, used in two applications with fundamental technological importance. These applications consist in developing a compact nanopatterning tool and in the design and the study of feasibility of a phase-shift interferometer. The photolithography experiments were conducted with the aim of studying new techniques to enable nanomanufacturing processes with a compact and most versatile tool as those already developed for synchrotron light. We analyzed several experimental configurations to implement proximity lithography, projection lithography and interferometric lithography with two and four beams. Proximity lithography was implemented as a proof of principle experiment, to show that PMMA could be activated with the photons at 46.9nm coming from the Ne-like Ar laser. The smaller size recorded in the sample was 120nm. Holes of 360nm diameter and 20nm depth were printed with the projection lithography technique. Interferometric lithography was carried out, firstly using a Lloyd mirror through which the smaller transferred period was 55nm. Subsequently we conducted an experiment in which, we use four diffraction gratings to produce four coherent beams that interfere to generate an intensity distribution which consists of an array of intense spots. In this case the size of the holes was of the order of 60nm, which is consistent with the design of four gratings. In the second part of this thesis, we designed a phase shift interferometer, capable of working in the extreme ultraviolet with the light coming from the Ne-like Ar laser. Since the wavelength of this laser is significantly smaller than that for the visible light, with this interferometer it is likely to get a much higher precision than that obtained with conventional interferometers. We design a EUV compatible interferometer and we design a model to simulate the beam propagation trough the interferometer. The model was performed taking into account the random fluctuations of the incident beam. We analyzed the behavior of the errors in the reconstruction of the wavefront as a function of the tolerance parameters of issue.

Ciocci Brazzano, Ligia. "Obtención de imágenes óptimas por técnicas de Fourier. Aplicación al microscopio con análisis de polarización" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En este trabajo proponemos e implementamos una nueva técnica para la optimización de imágenes del microscopio de gran apertura numérica. En estos sistemas la teoría escalar de la difracción no es una buena aproximación, por lo que para el desarrollo y validación de nuestra técnica, proponemos un modelo numérico original de la teoría vectorial de la difracción. Este modelo permite calcular, en el plano imagen, el campo eléctrico producido por un emisor puntual. Éste basa en una modificación del principio de Huygens-Fresnel, utilizando ondas secundarias esféricas vectoriales, en combinación con un método de integración de Monte Carlo. Aplicando este modelo estudiamos la formación de imágenes en el microscopio, considerando objetos autoluminosos no polarizados, y comparando las predicciones hechas por las teorías escalar y vectorial de la difracción, para microscopios con distintas aperturas numéricas. A partir de estos estudios desarrollamos una técnica de procesamiento de imágenes en el espacio de las frecuencias, a la que denominamos pseudodeconvolución. Ésta se basa en la corrección de la transformada de Fourier de la imagen por un factor dado por la relación simulada entre la función transferencia y una función transferencia meta, con mejores características para la resolución y el contraste. Nuestros estudios con simulaciones numéricas muestran que es posible obtener una mejora en la resolución de entre un 10 y un 15%, y una mejora cualitativa en el contraste. Aplicamos finalmente esta técnica a imágenes experimentales, verificando los resultados obtenidos en las simulaciones numéricas.

Abstract:
In this work we develop a novel technique to optimize images taken with high numerical aperture microscopes. As scalar diffraction theory is a poor approximation for these optical systems, we propose an original numerical model to calculate the image predicted by vector diffraction theory, to validate our technique. This model allows us to calculte the electric field produced in the image plane by a point source. It is based on modification of the Huygens-Frsenel principle that uses spherical vector wavelets, combined with a Monte Carlo integration method. Using this model we investigate image formation in the microscope for self-luminous unpolarized objects, comparing the predictions of scalar and vector diffraction theories, for different numerical apertures. We develop a new image processing technique, named pseudodeconvolution, based on the correction of the Fourier transform of the image. The correction factor is given by the simulated ratio between the transfer function and a goal transfer function, which is selected to provide an improvement in both the resolution and the contrast. Our results show that it is possible to improve the original image resolution by about 10 to 15%, and also obtain a contrast enhancement. Finally, we apply our technique to experimental images, verifying the results obtained by simulated images.

Masip, Martín E.. "Microscopía combinada de alta resolucióm. Aplicaciones a la plasmónica y la biofísica" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Scarpettini, Alberto F.. "Imagen y espectroscopía de alta resolución utilizando sondas plasmónicas" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Domené, Esteban A.. "Técnica de error de foco para microscopía de expansión y recuperación térmica (ThERM)" (2013) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis doctoral se presenta el desarrollo de un accesorio fototérmico capaz de caracterizar propiedades térmicas de una muestra midiendo la curvatura superficial de la expansión térmica inducida. La técnica, denominada ThERM por las siglas en inglés Termal Expansion-Recovery Microscopy (microscopia de expansión y recuperación térmica), permite medir mapas bidimensionales de difusividad la difusividad térmica con una resolución micrométrica. Un haz de excitación modulado calienta la muestra induciendo una respuesta térmica. El esquema de detección consiste en un haz de prueba astigmático y un detector de cuatro cuadrantes. De la diferencia entre las diagonales del detector se genera una señal de error de foco (FE) que resulta proporcional al desenfoque del haz de prueba causado por la curvatura superficial de la muestra. Ajustando barridos en frecuencia con un modelo térmico se obtiene una frecuencia de corte que solo depende de la difusividad térmica de la muestra y el tamaño del haz de excitación. Esto permite caracterizar la difusividad térmica de la muestra de manera simple, con una resolución lateral definida por el tamaño del haz de excitación y resolución axial subnanométrica.

Abstract:
In this doctoral thesis we present the design of a photothermal microscope accessory capable of characterizing thermal properties of a sample by probing the surface curvature of the induced thermal expansion. The technique, called ThERM (Thermal Expansion-Recovery Microscopy), allows the retrieval of the thermal diffusivity at microscopic levels and hence mapping such magnitude over a sample surface. A modulated pump laser beam heats the sample, thus inducing a thermal response. The detection scheme consists of an astigmatic probe laser and a four-quadrant detector. From the difference between the diagonals of the detector, a focus error signal is obtained (FE) which is proportional to the defocusing of the probe beam due to the surface curvature. Nonlinear fitting of frequency sweeps with a thermal model allows the retrieval of a cutoff frequency which only depends on the thermal diffusivity of the sample and the pump beam size. Therefore a straightforward retrieval of the thermal diffusivity of the sample is possible, with a lateral resolution defined by the pump beam size and a sub-nanometer axial resolution.

Díaz Costanzo, Guadalupe. "Propiedades ópticas de nanocompuestos poliméricos con nanotubos de carbono" (2013-12-30) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Se han desarrollado y caracterizado nuevos materiales fotosensibles a partir de la incorporación de moléculas de colorante azobenceno en matrices poliméricas. Se estudió cómo la adición de una nanocarga, capaz de mejorar la resistencia a la rotura e incrementar el módulo elástico, modifica las propiedades ópticas del material. En particular, como colorante se empleó Disperse Orange 3 (DO3) y como nanocarga se usaron nanotubos de carbono (CNTs). La familia de colorantes azobenceno se caracteriza por sufrir un proceso de fotoisomerización reversible, que permite inducir ópticamente distintos efectos como birrefringencia y modulación en el índice de refracción cuando se incorporan en un sistema material. La elección de los CNTs como nanocarga se basó en su estructura electrónica, que podría dar lugar a una interacción con los colorantes azobenceno ya que ambos poseen un sistema delocalizado de electrones π. Se evaluaron dos tipos de polímeros como matrices, un polímero termorrígido (resina epoxi) y un polímero termoplástico (ácido poliláctico) con el objeto de determinar cómo el tipo de estructura modifica la respuesta óptica del colorante. En ambos casos se estudiaron materiales con y sin CNTs. En la primera etapa de esta tesis se estudió la interacción entre nanotubos de carbono y moléculas azobenceno utilizando técnicas ópticas y espectroscópicas. Se determinaron las concentraciones CNTs/DO3 para obtener dispersiones en tetrahidrofurano y en cloroformo estables en el tiempo. Con ellas se desarrollaron los diferentes compuestos poliméricos los cuales fueron caracterizados mediante diferentes técnicas espectroscópicas, mecánicas y ópticas. Se encontró que la adición de CNTs en sistemas fotosensibles compuestos por polímero y colorante genera cambios en la respuesta óptica del nanocompuesto que se manifiestan de forma distinta dependiendo fuertemente de la conformación estructural de la matriz que constituye el material. Finalmente se grabaron figuras de interferencia en los diferentes materiales y se evaluó cómo la presencia de los CNTs afecta la eficiencia de difracción de las redes generadas. Este último punto demuestra las potenciales aplicaciones de los materiales desarrollados en el área de óptica y fotónica como dispositivos de almacenamiento óptico de la información.

Abstract:
New photosensitive materials fabricated by the addition of azobenzene dye molecules into polymeric matrixes have been developed and characterized. It was studied how the addition of a nanocharge, also capable of improving the strength at break and the elastic modulus, modify the optical properties of the material. Particularly, as an azobenzene dye it was used Disperse Orange 3 (DO3) and carbon nanotubes (CNTs) as nanocharges. The family of azobenzene dyes are most known for undergoing a reversible photoisomerization process that allows photoinducing different effects such as birrefringence and modulation of the index refraction when oncorporated into a material system. The choice of CNTs as nanocharges finds it basis on their electronic structure that could let an interaction with the azobenzene dyes since both have a delocalized π electron system. Two kinds of polymers have been tested as matrixes, a termorrigid polymer (epoxy resin) and a thermoplastic polymer (polylactic acid), with the aim of determining how the structure modifies the optical response of the dye. In both cases, materials with and without CNTs were studied. On the first stage of this thesis the interaction between carbon nanotubes and azobenzene molecules was studied using optical and spectroscopic techniques. Concentrations CNTs/DO3 were determined to obtain stable dispersions in tethehydrofuran and chloroform. With these dispersions the polymeric compounds were developed and characterized by means of spectroscopic, mechanic and optical techniques. It was found that the addition of CNTs into photosensitive material systems made of polymers and azobenzene dyes produces changes in the optical response that revealed in different ways strongly depending on the structural conformation of the matrix of the material. At last, interference patterns were recorded on the different materials and it was evaluated how the presence of CNTs affects the efficiency of the recorded diffraction gratings. This last point demostrates the potential applications of the developed materials in the area of optics and photonics as optical storage information devices.

Luna, Ana Eugenia. "Producción de color en materiales microestructurados naturales y artificiales" (2014-08-06) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las estructuras fotónicas naturales exhiben notables efectos de color como el aspecto metálico y la iridiscencia. En este trabajo se investigan algunas de las microestructuras de este tipo que se han identificado en coleópteros, específicamente en los escarabajos de la especie Ceroglossus suturalis, que exhiben una coloración iridiscente y son endémicos del extremo sur de América del Sur y del sur de Chile. Este fenómeno de iridiscencia se produce por reflexiones múltiples de la luz dentro de la epicutícula del élitro (ala delantera modificada por endurecimiento que encierra a las alas posteriores utilizadas en el vuelo), que es un sistema de multicapas alternadas de materiales de diferente densidad óptica. Por medio del empleo de técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y de transmisión (TEM), y a través del procesamiento de las imágenes y micrografías, se obtuvieron los parámetros geométricos más relevantes de las microestructuras responsables del color estructural en estos escarabajos, tales como el número de capas y sus espesores. Utilizando un espectrofotómetro acoplado a fibra óptica se midieron los espectros de reflectancia y se obtuvieron los diagramas de cromaticidad para diferentes muestras, y bajo distintas condiciones de iluminación. Una vez confirmado el mecanismo físico involucrado en la producción de color en los especímenes estudiados, se aplicaron diferentes algoritmos de optimización para recuperar tanto la parte real como la imaginaria de la constante dieléctrica y los espesores de las capas de los materiales que componen el sistema natural de multicapas. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de diferentes estrategias de optimización heurística confirman que este tipo de algoritmos tiene un gran potencial como herramienta para investigar las estructuras fotónicas naturales. El estudio de la generación de color estructural en el mundo natural ya ha comenzado a inspirar el desarrollo de dispositivos artificiales con aplicaciones tecnológicas, tales como sensores inteligentes y nuevos tipos de filtros.

Abstract:
Natural photonic structures exhibit remarkable color effects such as metallic appearance and iridescence. In this work, we investigate some of the microstructures of this kind that have been identified in Coleoptera, specifically in the beetles of the species Ceroglossus suturalis, which exhibit an iridescent coloration and mostly live endemically in the southern end of South America and the south of Chile. This phenomenon of iridescence is produced by multiple reflections of light within the epicuticle of their elytra (modified forewing of a beetle that encases the thin hind wings used in flight), which is a multilayer system that alternates materials of different optical density. By means of scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy techniques, and after processing the images and micrographs, the significant geometrical parameters of the microestructure responsible for the structural color in these beetles, such as the number of layers and their thicknesses, have been obtained. By using an optical fiber coupled spectrophotometer, reflectance spectra have been measured, and the chromaticity diagrams have been obtained for several samples under different illumination conditions. Once the physical mechanism underlying the color production in the studied specimens was confirmed, different optimization algorithms have been applied to retrieve the real and imaginary parts of the relative permittivity of the materials comprising the natural multilayer system, as well as the layers thicknesses. The results obtained by applying different heuristic optimization strategies confirm that this kind of algorithms have a great potential as a tool to investigate natural photonic structures. The study of structural color generation in the natural world has already started to inspire the development of artificial devices for technological applications, such as smart sensors and new kinds of filters.

Alvarez, Natalia Clara. "Estudio de propiedades de materiales mediante la generación de ultrasonido con luz láser" (2016-06-30) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Los ensayos no destructivos involucran técnicas de análisis que permiten el estudio de materiales sin modificar sus propiedades y manteniendo sus características funcionales luego del ensayo. Estas técnicas se emplean tanto en el ámbito industrial como en el ámbito de la investigación. Existe gran interés en el desarrollo de este tipo de herramientas, ya que permiten el ahorro de costos y tiempos en la producción y evaluación de materiales y productos. En el método de ultrasonido láser un pulso de luz incide sobre la superficie del material bajo estudio y éste es parcialmente absorbido. A partir de este fenómeno se pueden producir diversos procesos (expansión térmica, evaporación y eyección de material, etc.) que generan una perturbación que se propaga en el medio, denominada ultrasonido. Para generar ondas de ultrasonido con un gran ancho de banda se utilizan pulsos cortos de láser de alta potencia. Las características del ultrasonido generado dependen de la forma y duración del pulso, de la extensión del área iluminada y de la potencia incidente. Si la potencia incidente es demasiado alta, puede producirse la ablación de la superficie. La ablación es en la mayoría de los casos algo que se desea evitar, ya que deteriora el material que se está estudiando. En los ensayos no destructivos se emplean potencias en el régimen denominado termoelástico, donde el material sólo se ve afectado por la expansión térmica y, por consiguiente, su estructura no resulta afectada. En la técnica de ultrasonido láser, las ondas de ultrasonido generadas en el material son detectadas sobre su superficie mediante métodos ópticos de interferometría. Esta técnica es de no contacto y por lo tanto es ideal para ensayar materiales en situaciones donde el acoplamiento de un sensor con la muestra puede ser riesgoso o puede degradar la exactitud de la medición. Una de las principales ventajas de la detección interferométrica es su gran ancho de banda, a diferencia del caso de sensores de contacto, como por ejemplo, los transductores piezoeléctricos. No obstante, la limitación más importante de este método de detección es su gran sensibilidad a las diferencias de camino óptico introducidas por el ambiente, ya sea por vibraciones, fluctuaciones térmicas, etc. En esta Tesis se desarrolla, en el marco de los ensayos no destructivos, una técnica de ultrasonido láser de características robustas. Esta técnica puede ser aplicable aún en entornos industriales, donde las técnicas interferométricas tradicionales suelen presentar serios problemas debido a la presencia de fuertes vibraciones. Por un lado, en este trabajo se exploran técnicas interferométricas de detección de ondas superficiales de ultrasonido en régimen termoelástico. Se proponen métodos de recuperación de fase que permiten obtener el desplazamiento medio de la superficie bajo análisis, aún en presencia de fluctuaciones en la longitud de camino óptico de varios órdenes de magnitud mayores a las generadas por el ultrasonido. Por otro lado, se estudia la capacidad de la técnica de ultrasonido láser propuesta para caracterizar diversos aspectos de la muestra bajo análisis, como son sus constantes elásticas y su espesor. También se generan defectos controlados en las muestras y se realiza la caracterización de su profundidad y localización a través del análisis, en tiempo y frecuencia, de las señales de ultrasonido. Para validar los resultados obtenidos experimentalmente se desarrolla un esquema numérico que simula el fenómeno termoelástico de generación de ultrasonido en materiales elásticos lineales, a partir de la incidencia de ondas electromagnéticas. Este método numérico permite modelar, también, la propagación de las ondas de ultrasonido en presencia de defectos en el material.

Abstract:
Nondestructive testing involves analysis techniques that allow the study of materials without altering their properties and maintaining their functional characteristics after testing. This methods are employed both in industrial applications and science research. There is great interest in the development of these kind of tools, since they allow to save costs and time in the production and evaluation of materials and products. In the laser ultrasonics method, a light pulse impinges on the surface of the material under test and it is partially absorbed, after which, diverse mechanisms may occur (such as thermal expansion, vaporization and material ejection) generating a perturbation that propagates in the medium, called ultrasound. In order to produce high bandwidth ultrasound waves, a short high power laser pulse is employed. The ultrasound wavefront properties depend on the shape and temporal length of the pulse, as well as, on the extension of the illuminated area and the laser power. If the laser power is too high, ablation can occur. Ablation is usually undesirable since it deteriorates the material under study. Hence, in nondestructive testing, the laser power is kept within the thermoelastic regime where the material undergoes thermal expansion only. Thus, maintaining its structural health. In the laser ultrasonics technique, ultrasound detection is achieved on the sample surface by means of optical interferometric methods. Since this technique does not involve physical contact with the sample, it is ideal for performing material testing in situations where the coupling of the sensor and the sample is risky or may jeopardize the validity of the test. One of the main advantages of interferometric detection, in contrast to contact sensors such as piezoelectric transducers, is its high bandwidth. However, the major limitation of this method comes from its high sensitivity to optical path modifications introduced by vibrations, thermal fluctuations and other undesired environmental variations. In this Thesis we develop a nondestructive technique based in laser ultrasonics which presents robust properties. This technique can be satisfactorily employed in industrial environments, where traditional optical interferometric detection fails due to the presence of strong vibrations. On the one hand, we explore interferometric techniques to achieve detection of surface ultrasonic waves in thermoelastic regime. We propose phase retrieval methods which allow to recover the surface mean displacement successfully, even under situations in which the undesired fluctuations in the optical path length are several orders of magnitude higher than the optical path differences introduced by the ultrasound. On the other hand, we study the ability of the proposed laser ultrasonic technique to successfully characterize several properties of the sample under test, such as, elastic parameters and thickness. We also create controlled defects in aluminium samples and estimate experimentally its depth and position by means of time-frequency signal analysis techniques. In order to validate the experimental results, we also develop a numerical method that allows to simulate the thermoelastic ultrasound generation, in linear elastic materials, from incident electromagnetic waves. This method is also capable of modeling the ultrasound propagation under the presence of defects in the simulated sample.

Barabas, Federico M.. "Nanoscopía de fluorescencia por localización estocástica de moléculas individuales" (2017-03-27) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Hasta hace unos 20 años se creía que la difracción de la luz imponía un límite fundamental de unos 200 nm a la resolución espacial de un microscopio óptico. Las nanoscopías de fluorescencia, también llamadas microscopías de superresolución, han quebrado esta barrera y permiten en teoría alcanzar la máxima resolución espacial con sentido físico, es decir el tamaño mismo de la fuente de luz. En la práctica, sin embargo, la resolución se ve limitada a unos 20 nm por efecto de variables experimentales como la relación señal-ruido y el fotoblanqueo de los marcadores fluorescentes. Además, las nanoscopías de fluorescencia mantienen las ventajas de la microscopía de fluorescencia tradicional, como el acceso poco invasivo y la alta sensibilidad y especificidad. Se denomina "localización de una molécula individual" al proceso numérico por el cual se extrae la posición de un emisor único a partir de la medición de su patrón de intensidad. La nanoscopía por localización estocástica de moléculas individuales (o simplemente "nanoscopía por localización") consiste en la adquisición secuencial de imágenes en las que en cada una un subconjunto estocástico de los fluoróforos de una muestra son resueltos individualmente. Como los patrones de emisión no se superponen, la precisión de localización solo depende del número de fotones detectados de cada emisión. La imagen final se construye con las posiciones de cada fluoróforo previamente localizado. Para obtener una imagen de superresolución es necesario que los marcadores estén separados por distancias menores a su imagen limitada por difracción y que éstos emitan de manera intermitente (que se enciendan y apaguen), de manera que en algún momento puedan observarse individualmente. La nanoscopía por localización comprende a un conjunto de técnicas diferenciadas entre sí de acuerdo al mecanismo que permite el encendido y apagado de los marcadores fluorescentes. En la presente Tesis se estudian aspectos fundamentales e instrumentales de la nanoscopía por localización y se la aplica al estudio de preguntas biológicas. En el Capítulo 1 se desarrollan los conceptos fundamentales y limitaciones de la microscopía de uorescencia, y se introducen las técnicas de superresolución. En el Capítulo 2 se detallan los métodos y estado del arte de la nanoscopía por localización. En el Capítulo 3 se caracteriza el nanoscopio por localización con posibilidad de obtener imágenes en 3D y a dos colores de emisión, que fuera construido como parte del trabajo de Tesis. Finalmente, en los Capítulos 4 y 5 se describen aplicaciones de dicho nanoscopio en dos proyectos de relevancia biológica: el estudio en neuronas hipocampales de la estructura periódica de espectrina y la distribución espacial de proteínas presentes en la membrana del Trypanosoma cruzi que median la interacción entre el parásito y el huésped.

Abstract:
Until twenty years ago it was considered that the diffraction of light imposed a fundamental limit of around 200 nm to the resolution of an optical microscope. Fluorescence nanoscopy, also known as super-resolution uorescence microscopy, has overcome this limit. It achieves the theoretical maximum spatial resolution, which is the size of the light source itself. In practice, however, the resolution is limited to around 20 nm by experimental factors like the signal-to-noise ratio and the photobleaching of uorescent markers. Besides, fluorescence nanoscopy maintains the advantages of traditional fluorescence microscopy, like its low invasivity and its high sensitivity and specificity. Single-molecule localization is the numerical process that extracts the single molecule position from measuring its emission pattern. Sigle-molecule stochastic localization nanoscopy (or simply "localization nanoscopy") consists of the sequential acquisition of images of well separated fluorophores from a stochastic subset of all fluorophores in the sample. As their emission patterns do not overlap, the position of each molecule can be determined with a precision only limited by the number of detected photons. A final super-resolved image is reconstructed from the localizations of all the fluorophores of the sequence of images. In order to obtain a super-resolved image, it is essential to have fluorescent markers closer to each other than the diffraction limit. Also, they must intermittently switch on and off, so that at a given point in time they can be imaged individually. Stochastic localization nanoscopy denotes a group of techniques each with a different mechanism for the on-off switching of the fluorophores. In this thesis we study fundamental and instrumental aspects of localization nanoscopy and we apply it to the study of biological questions. In Chapter 1 the fundamental concepts, potential and limitations of fluorescence microscopy are presented, followed by an introduction to super-resolution techniques. The fundamental principles and methods of single-molecule localization fluorescence nanoscopy are explained in detail in Chapter 2. Chapter 3 gives a complete description of the nanoscope built as part of this thesis work at the Centro de Investigaciones en Bionanociencias (CIBION), along with guidelines for its operation and an illustration of its performance. In Chapters 4 and 5 two biological applications of the nanoscope are presented, that address nanoscale organization proteins: firstly, the quantification of the periodic spectrin structure present in hippocampal neurons and secondly, the spatial distribution of proteins on the outer membrane of the Trypanosoma cruzi that mediate the parasite-host interaction. Finally, the conclusions of this thesis and future perspectives are unfolded in Chapter 6.

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