Trabajo de Fin de Máster

Tutor/a: J. Jiménez

Estudiante:

Descripción:

Tutor/a: Javier Serrano y Carlos Hernández-García

Estudiante:

Descripción: Las técnicas de inteligencia artificial están en auge gracias a sus recientes éxitos en aplicaciones que han llegado al gran público (asistentes virtuales, mejora de imágenes, reconocimiento facial, deepfakes…). En el ámbito científico, la inteligencia artificial también está consiguiendo éxitos muy importantes en la resolución de problemas como la determinación de la estructura 3D de proteínas (AlphaFold) [1], se utiliza de forma habitual en física de altas energías (LHC) [2] e incluso en ámbitos todavía más cercanos a este Máster, como la caracterización de pulsos ultracortos [3].

Dentro de las distintas formas de Inteligencia Artificial que se pueden implementar, la mayoría de estas aplicaciones se catalogan dentro del llamado Deep Learning o Aprendizaje Profundo, que se basa en el uso de redes neuronales. Las redes neuronales son modelos matemáticos que tratan de emular el comportamiento de nuestro cerebro. Estos modelos se entrenan utilizando una gran cantidad de datos, lo que requiere en muchos casos una gran potencia de cálculo. Para facilitar la implementación de estas redes neuronales, existen varios frameworks como TensorFlow [4], PyTorch [5], MXNet [6] o Chainer [7] que, entre otras muchas cosas, pueden hacer uso de tarjetas gráficas para mejorar el rendimiento. Las tarjetas gráficas son muy adecuadas para este fin, ya que permiten realizar un gran número de operaciones con matrices de forma paralela, que es precisamente lo que se requiere.

La generación de armónicos (HGG), utilizada entre otras cosas para la generación de pulsos ultracortos en el ultravioleta extremo (XUV) o incluso rayos X, es un ámbito en el que el Deep Learning resulta muy prometedor. Por un lado porque existen algoritmos como SFA (Strong Field Approximation) [8] que permiten simular de forma rápida estos procesos físicos y pueden utilizarse para generar una gran cantidad de datos de entrenamiento. Por otra parte, porque el comportamiento altamente no lineal de estos procesos y la necesidad de hacer el cálculo en grandes cantidades de átomos para conseguir resultados acordes a la realidad, hacen que el análisis de este proceso y la modificación de los parámetros de entrada para conseguir resultados con las características deseadas sea difícil y computacionalmente muy costoso.

En este TFM pretendemos explorar el uso de técnicas de Deep Learning en este ámbito, contando para ello con algoritmos de generación de armónicos ya implementados y hardware específico para acelerar los cálculos (Intel Xeon Gold, NVidia Ampere A30). El objetivo será la generación de datos de entrenamiento y la implementación, utilizando alguno de los frameworks disponibles, de una red neuronal que utilice esos datos y sea capaz de generar posteriormente predicciones relativas a estos procesos que no tengan una solución directa y robusta de forma algorítmica.

[1] Senior, A.W., Evans, R., Jumper, J. et al. «Improved protein structure prediction using potentials from deep learning». Nature 577, 706–710 (2020).
[2] Dan Guest, Kyle Cranmer, Daniel Whiteson. «Deep Learning and Its Application to LHC Physics». Annual Review of Nuclear and Particle Science 2018 68:1, 161-181
[3] Tom Zahavy, Alex Dikopoltsev, Daniel Moss, et al. «Deep learning reconstruction of ultrashort pulses», Optica 5, 666-673 (2018)
[4] https://www.tensorflow.org/ (Google)
[5] https://pytorch.org/ (Facebook)
[6] https://mxnet.apache.org/ (Apache)
[7] https://chainer.org/ (Preferred Networks, IBM, Intel, Microsoft, Nvidia)
[8] M. Lewenstein, Ph. Balcou, M. Yu. Ivanov, et al. «Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields», Phys. Rev. A 49, 2117 (1994)

Tutor/a: Luca Volpe y Jose Antonio Pérez Hernández

Estudiante:

Descripción: El objetivo de este trabajo es estudiar el mecanismo de aceleración de un haz de partículas generadas mediante la interacción de un láser ultra-intenso con materia. El sistema láser VEGA, ubicado en el Centro de Láseres Pulsados (CLPU), genera pulsos de 6 J y 30J comprimidos en 30 fs alcanzando así potencias pico de 200 TW (VEGA 2) y un 1 PW (VEGA 3) a una tasa de repetición de 10 Hz y 1 Hz, respectivamente. Bajo estas condiciones, focalizándolo adecuadamente, se pueden alcanzar intensidades pico de 1020-21 W/cm2 pudiendo generarse haces de partículas que dependiendo del tipo de target, pueden ser, de varios centenares de MeV en el caso de electrones, vía Laser Wakefield Acceleration (LWFA) y de decenas de MeV en el caso de protones e iones, vía Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Estos mecanismos de aceleración pueden ser estudiados en el contexto de la interacción laser-plasma debido a su carácter altamente no lineal.

El plan de trabajo estaría dividido en tres partes. Una primera parte en la que el alumno/a debe profundizar y adquirir conceptos teóricos para poder hacer un análisis crítico y comparativo de los resultados experimentales que se espera obtener. Para ello se le proporcionará la bibliografía necesaria. En la segunda parte, el alumno/a será integrado en una campaña experimental de 2-3 semanas de duración que se desarrollará en el CLPU, posiblemente entre Octubre y Mayo de 2022-2023 (se intentará ser flexible y compatibilizar la asistencia al experimento con el horario del máster). El alumno/a se involucrará en el equipo experimental para conocer la naturaleza del experimento y las correspondientes técnicas de diagnóstico, así como para participar “in situ” en el montaje, calibración y puesta en marcha de un diagnóstico en particular del experimento, y en la toma de datos a lo largo de la campaña experimental y su posterior análisis siendo esta la tercera parte. Estará supervisado en todo momento por los tutores y alguna otra persona involucrada en el experimento. Es bastante probable que también esté involucrado en colaboraciones con otros grupos de investigación nacionales e internacionales, en el propio experimento y/o en el análisis datos.

Es recomendable cursar las asignaturas de Interacción Láser-plasma y Física de Campos Intensos, del Máster, así como tener conocimientos de Física a nivel de grado. También es aconsejable tener conocimientos de algún lenguaje de programación, Python,  MatLab, Fortran, Mathematica, ….,

Gran parte de la bibliografía necesaria se encuentra escrita en Inglés, así que es necesario tener un nivel bueno de este idioma, al menos a nivel de lectura.

Dado que el trabajo contiene una parte experimental en el caso de que algún alumno/a se interese por este trabajo, se recomienda contactar lo antes posible con los tutores para planificar adecuadamente el desarrollo del mismo a lo largo del curso.

Se recomienda que los alumnos/as que se decidan por este trabajo, lo hagan si realmente se sienten motivados/as por el tema en estudio que aquí se ofrece. Es también recomendable que los alumnos/as vayan trabajando a lo largo del curso siguiendo las recomendaciones de los tutores. Se tratará de evitar “situaciones límite” en el sentido de dejar todo o gran parte del trabajo para el último momento.

Tutor/a: Luis Plaja y Julio San Román

Estudiante:

Descripción: La canalización de electrones  ocurre cuando se dirige un haz de electrones relativista sobre una estructura cristalina. Dependiendo de la orientación del haz, la dinámica de los electrones puede ser muy diferente. Hace unos años, los que proponemos este trabajo, realizamos una serie de simulaciones numéricas del proceso [1]. Pudimos ver que, aunque parezca una situación muy complicada, las ecuaciones del electrón eran equivalentes a la ecuación de Schrödinger en una dimensión. En este trabajo proponemos explorar los detalles de la emisión de radiación betatrón en este tipo de sistemas..

El alumno podrá usar cualquier lenguaje de programación (C, Fortran, Matlab, Mathematica o Python).

Referencias:

[1] San Roman, J., Plaja, L., Roso, L., Schwengelbeck, U., 2002. Characterization of the channeling process in the scattering of relativistic electrons with periodic structures. Physical Review A 65.

[2] Richard A. Carrigan Jr, James A. Ellison, Relativistic Channeling,  NATO ASI Series book series (NSSB, volume 165) Springer 1987.

[3] Swent, R.L., Pantell, R.H., Alguard, M.J., Berman, B.L., Bloom, S.D., Datz, S., 1979. Observation of Channeling Radiation from Relativistic Electrons. Phys. Rev. Lett. 43, 1723–1726. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.43.1723

Tutor/a: Carlos Hernández García e Íñigo Sola

Estudiante:

Descripción: Uno de los procesos de óptica no lineal más atractivos es la generación de armónicos de orden alto (High Harmonic Generation, HHG). En este proceso, un haz láser pulsado e intenso en el rango espectral visible o infrarrojo interacciona con un material (por ejemplo, un gas noble) y se genera radiación coherente en armónicos de órdenes alto de la radiación fundamental. Dicha radiación puede llegar al rango espectral del ultravioleta extremo (XUV) o los rayos X blandos [1]. En el dominio temporal se manifiesta en forma de trenes de pulsos muy breves, en el rango de duraciones del orden de centenares de attosegundos (1 attosegundo = 10^-15 s) o inferiores. Estos pulsos son los eventos más breves generados por el ser humano, y presentan un número creciente de aplicaciones en la disciplina conocida como “attociencia”. Sorprendentemente no solo somos capaces de generar pulsos tan cortos, sino de medirlos. Pero la medición experimental de esos pulsos requiere de montajes muy complejos [2,3] que sólo están al alcance de algunos laboratorios.

El presente trabajo tiene como objetivo explorar de manera teórica alternativas viables a las actuales técnicas de caracterización de pulsos de attosegundo. Se pretende desarrollar una técnica que sea más sencilla desde el punto de vista experimental. Tras una primera propuesta, se efectuará un análisis crítico para evaluar si puede funcionar, qué tipo de montaje experimental requeriría, y cuáles serían sus fortalezas y limitaciones frente a las técnicas actuales.

En este TFM es necesario tener conocimientos básicos de programación (cualquiera entre Matlab, Mathematica, Fortran, C, etc, de los que se ven en la asignatura de Métodos Computacionales en Óptica),  así como interés por el trabajo de simulación. Dado que el objetivo es el análisis de una posible técnica experimental, será interesante asimismo tener presente las posibilidades experimentales actuales.

Referencias

[1] T. Popmintchev, M.-C. Chen, D. Popmintchev, P. Arpin, S. Brown, S. Alisauskas, G. Andriukaitis, T. Balciunas, O. D. Muecke, A. Pugzlys, A. Baltuska, B. Shim, S. E. Schrauth, A. Gaeta, C. Hernandez-Garcia, L. Plaja, A. Becker, A. Jaron-Becker, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Science (1979) 336, 1287 (2012).

[2] P. M. Paul, E. S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Auge, P. Balcou, H. G. Muller, and P. Agostini, Science (1979) 292, 1689 (2001).

[3] Y. Mairesse and F. Quere, Phys Rev A  (Coll Park) 71, (2005).

Tutor/a: Carolina Romero Vázquez e Ignacio López Quintás

Estudiante: María Jesús Martínez Morillo

Descripción: Los láseres de Ti:Zafiro son los más utilizados para obtener pulsos ultracortos (femtosegundos). Estos pulsos tienen una longitud de onda central en torno a 800 nm (infrarrojo cercano). Para poder obtener pulsos ultracortos de otras longitudes de onda, la estrategia más común es recurrir al doblado o triplicado de frecuencias mediante generación de segundo o tercer armónico, lo cual restringe las longitudes de onda accesibles a 400 nm y 266 nm respectivamente, limitando su aplicación. Una forma de obtener pulsos ultracortos de longitud de onda sintonizable en un rango amplio es mediante otros procesos paramétricos y sus combinaciones [1]. Para esto, existen dispositivos llamados Amplificadores Paramétricos Ópticos (OPA ́s) [2] que, bombeados mediante pulsos ultracortos de 800 nm, permiten sintonizar de forma precisa la longitud de onda desde el visible (o incluso UV) hasta el propio infrarrojo cercano [3].

Tutor/a: Luis Sánchez-Tejerina y Carlos Hernández García.

Estudiante: Sergio Martín Domene

Descripción: En los últimos años se ha planteado la posibilidad de poder controlar la magnetización de distintos materiales magnéticos mediante pulsos láser. De hecho, el avance en el desarrollo de haces láser estructurados espacialmente en intensidad, fase, y polarización está abriendo nuevas oportunidades. Una de ellas se basa en una propuesta reciente en la que se propone que la dinámica de magnetización [1] contiene una parte inercial [2], con tiempos de relajación del orden de picosegundos. Recientemente [3] se ha obtenido en experimentos de resonancia ferromagnética un pico de resonancia a las frecuencias esperadas debido a la nutación de la magnetización, siendo este término inercial la explicación teórica más acorde a los resultados experimentales. Este rango de frecuencias es fácilmente accesible mediante el uso de pulsos láser polarizados azimutalmente que contienen un campo magnético longitudinal aislado del campo eléctrico en el eje del haz láser [4].

Una de las líneas de investigación más novedosas en en el ámbito de los láseres ultrarrápidos consiste en estudiar precisamente cómo modificar la magnetización en tiempos muy breves, para lo cual el estudio teórico de la dinámica de la magnetización es fundamental. En este trabajo pretendemos por un lado caracterizar la generación de pulsos magnéticos estructurados, y por otro lado estudiar la dinámica de la magnetización inducida por estos pulsos mediante el uso de simulaciones micromagnéticas.

Referencias:

[1] T. L. Gilbert, A phenomenological theory of damping in ferromagnetic materials, IEEE Transactions on Magnetics 40, 3443 (2004).

[2] J.-E.Wegrowe and M.-C. Ciornei, Magnetization dynamics, gyromagnetic relation, and inertial effects, American Journal of Physics 80, 607 (2012).

[3] K. Neeraj, et al., Inertial spin dynamics in ferromagnets, Nature Physics 17, 245 (2021).

[4] M. Blanco et al. Ultraintense femtosecond magnetic nanoprobes induced by azimuthally polarized laser beams, ACS Photonics 6, 38–42 (2019).

Tutor/a: Carolina Romero y Javier Rodríguez

Estudiante: María Sánchez Hernández

Descripción: Los láseres de pulsos ultracortos ofrecen capacidades únicas para el microprocesado de materiales dieléctricos transparentes. Por una parte, es posible realizar un estructurado superficial de escala micrométrica o submicrométrica () con mínima afectación de las zonas colindantes. Por otra parte, gracias a la transparencia de los materiales a la longitud de onda de estos láseres, es posible modificar de manera controlada las propiedades ópticas del material (índice de refracción) a una profundidad arbitraria. Esta versatilidad ha abierto las puertas a un sinfín de aplicaciones que se benefician de la integración de estructuras fotónicas tridimensionales embebidas en un dieléctrico. Un ejemplo es la inscripción de guías de onda en materiales funcionales (cristales no lineales, cristales láser), que han permitido el desarrollo de láseres ultracompactos, sensores optofluídicos y sistemas Lab-on-a-Chip. En el ámbito de la astrofotónica este tipo de dispositivos es crucial por ejemplo para obtener instrumental miniaturizado que pueda ser integrado en misiones espaciales (interferómetros, espectrómetros), o elementos que permitan manejar de forma compacta señales recibidas por varios canales.

En este trabajo proponemos introducir al/la estudiante en el ámbito de la fabricación de guías de onda por irradiación directa con pulsos de femtosegundos. El trabajo incluirá el desarrollo de códigos para la escritura de distintos tipos de guía de onda, la utilización de la estación de microprocesado del Laboratorio Láser de la USAL, y la caracterización de los dispositivos desarrollados. Adicionalmente, se podría proponer la realización de códigos de simulación numérica del comportamiento modal de los dispositivos.

Tutor/a: Luis Plaja y Enrique Conejero

Estudiante: Maria Luisa Berlanga Coppola

Descripción: La temperatura del gas de electrones es una de las variables importantes para el estudio de la dinámica de los sistemas magnéticos. Recientemente se está contemplando la posibilidad de actuar sobre la magnetización modificando el estado inicial de los electrones mediante pulsos ultracortos. Estudiaremos la temperatura del gas de electrones que se ioniza por un pulso de poso ciclos y cómo varía con los parámetros del pulso. Se trata de un trabajo teórico en el que utilizaremos las herramientas numéricas que se enseñan en la asignatura de Métodos Computacionales en Óptica.

Tutor/a: Enrique Conejero y Julio San Román

Estudiante:

Descripción: De entre todas las técnicas de post-compresión empleadas para la generación de pulsos láser de pocos ciclos, una de las más empleada es la propagación no lineal de un pulso por una fibra de núcleo hueco rellena de un gas [1]. La post-compresión, en la mayoría de los casos, consta de dos etapas: una primera en la que el espectro del pulso que se propaga por la fibra se ensancha durante la propagación no lineal del mismo, y una segunda, no siempre necesaria, en la que se corrigen los desfases espectrales que hayan podido aparecer hasta lograr el pulso ultra-corto. El ensanchamiento espectral que aparece durante la propagación no lineal del pulso por la fibra hueca es debido, principalmente, a la auto-modulación de fase pero hay otros efectos no lineales que también pueden ser relevantes en este proceso, como el self-steepening o la difusión Raman estimulada, en el caso de usar un gas molecular para rellenar la fibra [2]. Precisamente la difusión Raman estimulada se ha descubierto recientemente como un efecto muy eficaz para el ensanchamiento espectral [3]. En este trabajo se plantea desarrollar un modelo unidimensional para estudiar la propagación no lineal de un pulso láser en un medio prestando especial atención a los efectos inducidos por e término Raman estimulado en función de los distintos parámetros del láser incidente. El modelo que se va a implementar será el estándar propuesto en [2].

Referencias:

[1] Tamas Nagy, Peter Simon & Laszlo Veisz (2021) High-energy few- cycle pulses: post-compression techniques, Advances in Physics: X, 6:1, 1845795

[2] Agrawal GP. Nonlinear fiber optics. Academic Press; Amsterdam.

[3] Beetar et al. (2020) Multioctave supercontinuum generation and frequency conversion based on rotational nonlinearity Sci. Adv. 6 : eabb5375

Tutor/a: Ignacio López Quintás e Íñigo Sola Larrañaga

Estudiante: Mario Guerras Rodríguez

Descripción: Los láseres constituyen una herramienta fundamental para el análisis espectroscópico de muestras y materiales en un amplio abanico de campos (Física, Ciencia de Materiales, Química, biotecnología, etc.). En particular, los láseres pulsados permiten, además, conocer las dinámicas de dichos sistemas con una alta resolución temporal, obteniendo un conocimiento más profundo de los mismos.

El objetivo del presente trabajo es la implementación de un montaje que permita estudiar dinámicas de fluorescencia en el rango temporal de femtosegundo y picosegundo. Para lograr esta resolución temporal se trabajará en un montaje del tipo pump & probe [1,2]. Mediante este sistema, un haz láser (pump) será el responsable de excitar la muestra para que esta emita la fluorescencia a estudiar. Por otro lado, dicha fluorescencia será superpuesta a un segundo haz láser (probe), que servirá de sonda temporal por medio de un proceso no lineal. El retardo relativo entre fluorescencia y haz probe permite barrer la evolución temporal de la primera con una resolución del orden de la duración del pulso probe.

En este TFM se comenzará con el montaje básico del sistema y se probará en situaciones y muestras favorables (alto rendimiento de fluorescencia). Posteriormente se irán perfeccionando los diversos parámetros de trabajo, validando en cada paso los resultados obtenidos, para avanzar hacia casos de muestras más exigentes. En el laboratorio láser del grupo ALF-USAL se dispone tanto de las fuentes láser como de la optomecánica necesarias para el desarrollo de este proyecto.

El trabajo de máster tiene dos componentes: por un lado, trabajo de laboratorio (montaje y su optimización, toma de datos) y, por otro, estudio de los datos experimentales para extraer la dinámica de las muestras analizadas con mejores resoluciones.

En este TFM es aconsejable tener conocimientos básicos de programación (rudimentos de algún lenguaje: Matlab, Mathematica, Fortran, C, etc.), así como interés por el trabajo experimental (trabajo en laboratorio, análisis de datos experimentales, etc.).

Referencias

[1] J. Shah, «Ultrafast Luminescence Spectroscopy Using Sum Frequency Generation,» IEEE J Quantum Electron 24, 276–288 (1988).

[2] R. Jimenez, G. R. Fleming, P. v. Kumar, and M. Maroncelli, «Femtosecond solvation dynamics of water,» Nature 369, 471–473 (1994).

Tutor/a: Esther Rebollar González (IQFR-CSIC) y Pablo Moreno Pedraz (USAL)

Estudiante: Millán Pérez Martín

Descripción: En este trabajo se propone la modificación superficial de materiales poliméricos mediante irradiación láser utilizando para ello un láser de Titanio:zafiro con pulsos de duración de femtosegundos.

La irradiación de los materiales producirá cambios en la topografía, que pueden venir acompañados de cambios adicionales en sus propiedades físico-químicas tales como la mojabilidad o la adhesión.

En particular, en lo que se refiere a las propiedades de mojado frente al agua un material puede ser hidrofílico, cuando es mojado por el agua, o hidrofóbico, cuando repele el agua. El control de esta propiedad es importante en el desarrollo de nuevos materiales que no se ensucien, que sean autolimpiables o que eviten la formación de hielos en su superficie, por citar algunos ejemplos.

Las irradiaciones se llevarán a cabo en la USAL, y las superficies modificadas se caracterizarán en el IQFR-CSIC. En particular, la topografía se analizará mediante microscopía de fuerzas atómicas (AFM) y microscopía de barrido electrónico (SEM) y se estudiará de manera sistemática y en función del tiempo la mojabilidad de las superficies mediante medidas de ángulo de contacto con distintos líquidos para obtener información acerca de los cambios en la hidrofilicidad/hidrofobicidad y en la energía superficial de los materiales.

Tutor/a: Carolina Romero y Javier Rodríguez Vázquez de Aldana

Estudiante: Nicoleta Hurlé Juam

Descripción: Los láseres de pulsos ultracortos son una herramienta muy versátil para procesar y modificar materiales con alta resolución espacial, gracias a la elevada intensidad que se alcanza una vez focalizado. Uno de los campos que más se ha beneficiado de esta tecnología es la opto-fluídica, que combina en un mismo dispositivo elementos fotónicos de control de la luz y micro-canales para conducir un determinado fluido, y poder realizar algún tipo de medida óptica sobre él: en este sentido, se han desarrollado numerosos dispositivos llamados Organ-on-Chip, para el diagnóstico rápido y directo en aplicaciones biomédicas. El procesado con pulsos ultracortos es en este caso muy interesante ya que, por una parte, permite eliminar material de la superficie de manera controlada, pudiendo realizarse micro-cortes o micro-canales, y por otra parte, en materiales transparentes, la focalización del haz en el interior de una muestra da lugar a la modificación localizada del índice de refracción, con lo que pueden fabricarse dispositivos fotónicos tipo guía de onda.

En este trabajo proponemos la optimización de estrategias de procesado para la obtención de micro-canales superficiales que permitan la interacción directa con la luz acoplada en una guía de onda previamente inscrita en el material. Para ello se perseguirá principalmente obtener una buena calidad de la superficie de los canales generados para reducir pérdidas por scattering, y la reducción de la conicidad de las estructuras. El trabajo implica la utilización de un láser de femtosegundos amplificado, manejo de diverso material opto-mecánico, microscopia óptica, y programación de una estación de micro-posicionado.

Referencias:

-D. Psaltis et al., “Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics”, Nature 442,381 (2006) doi:10.1038

-K. Sugioka et al. “Femtosecond laser 3D micromachining: a powerful tool for the fabrication of microfluidic, optofluidic, and electrofluidic devices based on glass”, Lab On a Chip, DOI: 10.1039/c4lc00548a