Die Messung ultrakurzer Laserpulse ist ein Eckpfeiler der ultraschnellen Laserphysik, da die Gültigkeit eines Experiments von der Glaubwürdigkeit seiner Messtechnik abhängt. Etablierte Puls-Charakterisierungstechniken beruhen jedoch häufig auf einer Mittelung über viele Pulse. Daher können sie falsche Informationen liefern, wenn die zeitliche Form von Puls zu Puls variiert. Diese Dissertation bietet Strategien zum sicheren Erfassen und Messen einer Degradierung der Puls-Kohärenz mit Hilfe von frequenzaufgelöstem optischem Gating (FROG), spektraler Phaseninterferometrie für die direkte Rekonstruktion elektrischer Felder (SPIDER) und Dispersionsscan (D-scan). Zu diesem Zweck werden Verbesserungen der Charakterisierungstechniken entwickelt. Die in dieser Arbeit entwickelten neuen Werkzeuge eröffnen nun einen Weg zur Untersuchung der Degradierung der Inter-Puls-Kohärenz, was eine zuverlässige Ultrakurzpulsmetrologie ermöglicht und das zuvor nicht nachweisbare Problem der Pulsfolgeninstabilität löst. / The measurement of ultrashort laser pulses is a cornerstone of ultrafast laser physics, as the validity of any experiment depends on the credibility of its measurement technique. However, established pulse characterization techniques often rely on averaging over many pulses. Therefore, they can return incorrect information if the temporal shape varies from pulse to pulse. This thesis provides strategies to safely detect and measure interpulse coherence degradation, using frequency-resolved optical gating (FROG), spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction (SPIDER), and dispersion scan (d-scan). To this end, improvements of the characterization techniques themselves are devised. The set of new tools developed in this thesis now opens up an avenue for the investigation of interpulse coherence degradation, leading to a more reliable ultrashort pulse metrology and solving the previously undetectable problem of pulse train instability.

In dieser Arbeit untersuchen wir das optische Antwortverhalten von planaren Spektrometern basierend auf ungeordneten Streuzentren, dielektrischen Verbundnanopartikeln mit einer plasmonischer Ummantelung, sowie volldielektrischen magnetooptischen formveränderten Metaoberflächen. Dafür benutzen wir sowohl Mie und Mehrfach-Streutheorie als auch ein unstetiges Galerkin Zeitraumverfahren basierend auf finiten Elementen zur numerischen Berechnung der elektromagnetischen Felder. Wir stellen insbesondere eine theoretische Designstudie vor, um ungeordnete Spektrometer mit hoher spektraler Auflösung zu erhalten. Darüber hinaus geben wir eine alternative Strategie an, um durch Untersuchung der optischen Eigenschaften von Verbundnanopartikeln eine Erhöhung der bevorzugten Rückstreuung zu erreichen. Zum Schluss präsentieren wir eine Erhöhung der Faraday-Rotation bei gleichzeitig hoher Transmission von volldielektrischen magnetooptischen Metaoberflächen, welche aus formangepassten Nanodisks bestehen. / In this thesis, we study the optical response of planar spectrometers based on disorder scatterers, composite dielectric nanoparticles with plasmonic shell, and all-dielectric magneto-optical shape-modified metasurfaces. Therefore, we employ both Mie and multiple scattering theory as well as a discontinuous Galerkin time-domain method based on finite elements for the numerical computation of the electromagnetic fields. Specifically, we present a theoretical design study for obtaining random spectrometers with high spectral resolution. Furthermore, we provide an alternative strategy to achieve preferentially high backscattering by studying the optical properties of composite nanoparticles. Finally, we present enhanced Faraday rotation along with high transmittance in all-dielectric magneto-optical metasurfaces composed of shape-modified nanodisks.

Kanalrhodopsine (ChRs), lichtgesteuerte Ionenkanäle, vermitteln phototaktische Reaktionen in beweglichen Algen und sind als optogenetische Werkzeuge zur Manipulation der Zellaktivität mittels Lichts weit verbreitet. Viele Kationen- und Anionen-leitende ChRs (CCRs und ACRs) wurden aus kultivierbaren Chlorophyten- und Cryptophytenarten identifiziert. Die meisten mikrobiellen Organismen kann jedoch nicht kultiviert werden, was zu einem unvollständigen Bild der ChR-Vielfalt führt. Die Metagenomik öffnet die Tür für Erkenntnisse über die Verteilung von ChRs in unkultivierten Organismen. Diese Arbeit beschreibt die biophysikalische Charakterisierung von zwei Gruppen metagenomisch identifizierter ChRs. Die MerMAIDs (Metagenomically discovered marine, anion-conducting, and intensely desensitizing ChRs) sind eine neue ChR-Familie und zeigen nahezu komplette Photostrom-Inaktivierung unter Dauerlicht. Die Photoströme lassen sich durch einen Photozyklus erklären, der zur Akkumulation eines langlebigen und nicht-leitenden Photointermediats führt. Ein konserviertes Cystein ist für dieses Phänomen entscheidend, da seine Substitution zu einer stark reduzierten Inaktivierung führt. Die Prasinophyten ChRs, die große carboxyterminale Domänen aufweisen, wurden in großen, marinen Viren identifiziert, die sie von ihren beweglichen und einzelligen Grünalgen-Wirten durch lateralen Gentransfer übernommen haben. Heterolog exprimiert, sind die viralen ChRs nur nach Ergänzung von Transportsequenzen und carboxyterminaler Kürzung funktional. Die Grünalgen- und viralen ChRs sind Anionen-leitend mit nicht-inaktivierenden Photoströmen, wenn sie in Säugetierzellen exprimiert werden, obwohl die viralen Vertreter weniger leitfähig und zytotoxisch sind. Nichtsdestotrotz repräsentiert diese ChR-Gruppe die ersten Grünalgen- und Virus-ACRs. Diese Arbeit zeigt eine breite Verteilung der ACRs unter marinen mikrobiellen Organismen und die Bedeutung der Funktionsmetagenomik bei der Entdeckung neuer ChRs. / Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels mediating phototactic responses in motile algae and widely used as optogenetic tools to manipulate cellular activity using light. Many cation- and anion-conducting ChRs (CCRs and ACRs) have been identified from culturable chlorophyte and cryptophyte species. However, most microbial organisms cannot be cultured, resulting in an incomplete view of the diversity of ChRs. Metagenomics opens the door to gather insights on the distribution of ChRs in uncultured organisms. Here, the biophysical characterization of two groups of metagenomically identified ChRs is described. The MerMAIDs (Metagenomically discovered marine, anion-conducting, and intensely desensitizing ChRs) represent a new ChR family with near-complete photocurrent desensitization under continuous illumination. The photocurrents can be explained by a single photocycle leading to the accumulation of a long-lived and non-conducting photointermediate. A conserved cysteine is critical for this phenomenon, as its substitution results in a strongly reduced desensitization. The prasinophyte ChRs, harboring large carboxy-terminal extensions, were identified in marine giant viruses that acquired them from their motile and unicellular green algal hosts via lateral gene transfer. Expressed in cell culture, the viral ChRs are only functional upon the addition of trafficking sequences and carboxy-terminal truncation. The green algal and viral ChRs are anion-conducting and display non-desensitizing photocurrents when expressed in mammalian cells, though the viral representatives are less conductive and cytotoxic. Nonetheless, this group of ChRs represents the first green algal and viral ACRs. This thesis highlights a broad distribution of ACRs among marine microbial organisms and the importance of functional metagenomics in discovering new ChRs.