De nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques tendent à prouver que la matière ordinaire (dite baryonique) ne constituerait qu'environ 5 % du contenu énergétique de l'Univers. Les principales composantes de celui-ci seraient l'énergie noire (à 70 %) ainsi que la matière noire (à 25 %). Cette dernière serait invisible et seuls ses effets gravitationnels traduiraient sa présence dans l'Univers. Plusieurs particules, regroupées sous le terme générique de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), pourraient correspondre à cette théorie et sont activement recherchées. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont été développés dans ce but et s'appuyent sur les stratégies suivantes : la production de ces particules au sein de collisionneurs, l'observation de particules produites via l'annihilation de WIMP ou encore la détection directe de ces particules via leur interaction avec le noyau des atomes constitutifs d'un détecteur. C'est sur cette dernière méthode que s'appuie l'expérience EDELWEISS. Il s'agit d'une expérience de détection directe de matière noire dédiée à la recherche de WIMP de masse comprise entre 1 GeV et 1 TeV. Son but premier est de détecter les reculs nucléaires induits par la diffusion élastique de particule de matière noire dans les détecteurs. Les taux d'événements attendus < 10 /(kg.an) étant de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux induits par la radioactivité ambiante, une double mesure de l'ionisation et de la chaleur est employée pour discriminer les reculs électroniques induits par les bruits de fonds β et γ des reculs nucléaires induits par les WIMPs. De plus, l'expérience a été placée en site souterrain pour se prémunir des rayonnements cosmiques, induisant des événements dans les détecteurs. Ceux utilisés par l'expérience sont des bolomètres en germanium, appelés FID, refroidis à des températures cryogéniques (18 mK) et opérant à bas champ (1 V/cm). Depuis 2015, la nouvelle stratégie de l'expérience consiste à se focaliser sur les WIMPs de masse inférieure à 10 GeV, zone de recherche privilégiée pour les expériences utilisant des détecteurs cryogéniques. Le fonctionnement de l'expérience a donc été amélioré afin d'atteindre cet objectif.Le but de cette thèse consiste à analyser les campagnes de données de l'expérience, effectuées en 2015 et 2016. Celles-ci utilisaient les détecteurs FID soumis à un champ électrique plus important que précédemment afin d'améliorer leur sensibilité. La limite extraite à partir de ces données s'appuie sur la statistique de Poisson et a permis de mettre en évidence que le bruit de fond dominant de l'expérience à basse énergie impacte grandement les résultats. C'est pourquoi une étude de ces événements, appelés heat-only, a été réalisée. Ceux-ci se caractérisent par une élévation de chaleur vue par les senseurs thermiques sans que les électrodes du détecteur ne mesurent d'ionisation en son sein. Une étude de ce bruit de fond a été réalisée et a permis de mettre en évidence la possibilité de modéliser ces événements. Suite à ces résultats, une analyse par maximum de vraisemblance a été construite. Cette méthode d'analyse permet de soustraire de manière statistique les bruits de fond de l'expérience grâce à leurs spectres en énergie différents de ceux attendus pour un signal de matière noire. De cette façon, une limite sur la section efficace des WIMP a été calculée en utilisant pour la première fois des détecteurs FID soumis à des champs électriques supérieurs aux valeurs utilisées jusqu'à présent / Many astrophysical and cosmological observations lead to postulate the existence of an unknown matter, called dark matter. Ordinary matter can explain only 5 % of the energy content of the Universe : the main components would be the dark energy (70 %) and dark matter (25 %). This latter is invisible and manifest itself only via its gravitational effects. Several particles, grouped under the generic term of WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), could correspond to this theory and are actively searched. Many experiments have been developed for this purpose and are based on three strategies: the production of these particles with colliders, the observation of the particles produced by their annihilation in astrophysical objects or the direct detection of these particles via their interaction with the nucleus of the atoms constituent of a detector. It is on this last method that the EDELWEISS experiment is based. It is a dark matter direct detection experiment dedicated to the search for WIMP with masses between 1 GeV and 1 TeV. Its primary purpose is to detect nuclear recoils induced by elastic scattering of dark matter particles in detectors. Since the expected event rates < 10 /(kg.year) are several orders of magnitude lower than those induced by ambient radioactivity, a double measurement of ionization and heat is used to discriminate electron-induced recoils arising from β and γ interactions from WIMP-induced nuclear recoils. In addition, the experiment was placed underground to guard against cosmic radiation, inducing events in the detectors. These are germanium bolometers, called FID, cooled to cryogenic temperatures (18 mK) and operating at low field (1 V/cm). Since 2015, the new strategy of the experiment consists of focusing on WIMPs with mass below 10 GeV, an interessant research area where experiments using cryogenic detectors can exploit their ability to operate with experimental thresholds well below 1 keV. The operation of the experiment has been improved to achieve this goal. The aim of this thesis is to analyze the data set recorded by EDELWEISS in 2015 and 2016. These used the FID detectors subjected to a greater electric field than previously to improve their sensitivity. It is expected that the limit on the spin-independent WIMP-nucleon crosssection extracted from these data will be greatly impacted by a dominant background, called heat-only events. That is why they are studied in detail in this work. They are characterized by a rise in heat seen by thermal sensors without any ionization signal on the collecting electrodes. This study resulted in to highlight a model for these events that can be used in the WIMP search analyses. Following these results, a maximum likelihood analysis was constructed. This method of analysis makes it possible to statistically subtract the background noise from the experiment by exploiting the difference between the energy spectra of signal and backgrounds. In this way, limits on the spin-independent WIMP-nucleon cross-section are obtained. They will be compared to the results of other experiments

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 4811188 bytes, checksum: e6a9d4d69f963d42f294d99b19a7c9fb (MD5) Previous issue date: 2014-07-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Dark Matter (DM) is a key piece for our understanding of the universe evolution. Its existence has been confirmed by gravitational effects on the known matter, and we do not know its constitution just yet. The assumption that DM is composed of particles demands an extension of the Standard Model of Elementary Particles (SM). There are many experiments searching for neutral, stable, weakly interacting particles so called WIMPs, but no conclusive positive signal has been observed so far. That being said, we propose a Majorana fermion to be our DM candidate in one of the simplest minimal extensions of the SM, which adds to the scalar sector a neutral scalar that mixes to the Higgs boson. Further, we study another model which supplements the former by adding a charged scalar, which mediates interactions between the DM particle and leptons. In both models, we compute the relic density, the scattering cross section off nucleon (Direct Detection), and its annihilation rate in Standard Model particles (Indirect Detection) using the numerical package micrOMEGAs. In conclusion, we interestingly find that such models have regions of the parameter space yielding the right abundance while compatible with direct and indirect detection limits. Lastly, we investigate the possibility having the Majoron risen in our extensions as dark radiation in the light of the recent CMB spectrum analyses. / A Matéria Escura (ME) é uma peça fundamental para nosso entendimento sobre a evolução do universo. Sua existência foi confirmada pelos efeitos gravitacionais que exerce sobre a matéria que conhecemos e até hoje não sabemos sua constituição. Assumir que ela seja constituída de partículas implica na necessidade de estender o Modelo Padrão das Partículas Elementares (MP). Há vários experimentos buscando partículas neutras, estáveis e pouco interagentes conhecidas como WIMPs, mas até agora nenhum sinal positivo é conclusivo. Em vista disso, propomos um férmion de Majorana como candidato à ME em uma das extensões mais simples do MP, adicionando ao setor escalar um escalar neutro singleto que se mistura com o bóson de Higgs. Em seguida, estudamos outro modelo que acrescenta ao anterior um escalar carregado singleto mediando interações entre as partículas de ME e os léptons. Nos dois modelos, computamos a abundância relíquia, a seção de choque de espalhamento com nucleons (detecção direta) e a taxa de aniquilação de ME em partículas do MP (detecção indireta) usando o pacote numérico micrOMEGAs. Em conclusão, mostramos que esses modelos têm uma interessante região de parâmetros que fornece a abundância relíquia correta estando de acordo com os limites das detecções direta e indireta. Finalmente, investigamos a possibilidade de o majoron que aparece em nossas extensões ser radiação escura, à luz de recentes análises do espectro da radiação CMB.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 8387291 bytes, checksum: 02ffc69a044d7312934d6910183b8440 (MD5) Previous issue date: 2015-04-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work we consider a minimal local abelian gauge group extension with charge B - 3Le anomaly-free. We add a right-handed singlet Majorana fermion plus a neutral and charged scalars, responsible for spontaneous symmetry breaking and a charged singlet scalar to provide a connection between the electron and the Majorana fermion. The aim of this model is provide a low energy theory to Dark matter as a Majorana fermion. There are several evidences of a new kind of a non-baryonic matter but its nature and properties are not well established. So, based in some experiments (in particular those that main focus is the direct detection), we are going to constraint some parameters of the model to test its feasibility in this context. We have used a computational program called micrOMEGAs (based on CalCHEP) to compute the abundance and scattering cross section between dark matter and nucleon and compare with the experimental constraints arising from Planck (abundance) and LUX (scattering cross section). We show that the results support the restrictions imposed by the observations providing future perspectives for this extension, like indirect detection of dark matter. / Nesta dissertação consideramos uma extensão abeliana mínima local, de carga B-3Le, livre de anomalias, onde foi introduzido um férmion de majorana de mão direita juntamente com um novo bóson escalar, responsável pela quebra espontânea da simetria local, e um escalar carregado conectando a família de léptons ao férmion de majorana. Este modelo tem por objetivo fornecer uma teoria de baixas energias para a matéria escura atribuída a um férmion de majorana. Logo, baseado em alguns experimentos (em particular aqueles cujo principal objetivo é a detecção direta de uma possível nova partícula atribuída à esta matéria), iremos vincular os parâmetros de nosso modelo a fim de verificar sua aplicabilidade neste senário. Com isto, utilizaremos o programa computacional micrOMEGAS (que utiliza o CalcHEP) a fim de calcular alguns observáveis do modelo, tais como a abundância e secção transversal de choque do espalhamento elástico entre a matéria escura e o nucleon e, em seguida, comparamos aos dados experimentais do Planck (abundância) e LUX (seção de choque). Resultados preliminares apontam para a validade do modelo diante das restrições impostas pelas observações, possibilitando a perspectiva de aplicação desta extensão em outros contextos, como os da detecção indireta da matéria escura.

Le but de l'expérience EDELWEISS est la détection directe de matière noire sousforme de WIMPs, par l'étude de leur diffusion élastique sur les noyaux de germanium des détecteurs bolomètriques. Le plus problématique des bruits de fond provient des neutrons pouvant mimer l'interaction d'un WIMP dans un détecteur. Ces neutrons sont notamment produits par les rares muons cosmiques de haute énergie qui atteignent le laboratoire souterrain malgré les 4800 m w.e. de roche. Les muons résiduels sont détectés par un système veto de 46 modules de scintillateur plastique entourant l'expérience, qui permet de rejeter la plupart du bruit de fond associé. La détermination précise du bruit de fond neutron résiduel induit par ces muons dans EDELWEISS-III, essentielle pour l'identification des WIMPs, est le but de cette thèse. Le taux de bruit de fond dépend de la géométrie de l'expérience ainsi que des matériaux utilisés, qui ont subi d'importantes modifications depuis EDELWEISS-II. Des simulations GEANT4 du passage des muons dans la nouvelle géométrie ont été réalisées afin d'extraire le taux d'événements induits par les muons dans les bolomètres. Ce taux est en bon accord avec le taux mesuré extrait des données du Run308. En parallèle, une limite inférieure sur l'efficacité du veto muon a été extraite à partir des données bolomètres. Une nouvelle méthode basée sur l'utilisation d'une source d'AmBe a été développée afin d'extraire l'efficacité de chaque module de la simulation. À partir de ces résultats, il a été montré que le bruit de fond attendu est négligeable pour la recherche de WIMPs avec les données du Run308 et ne limitera pas la sensibilité future d'EDELWEISS-III / The aim of the EDELWEISS-III experiment is to detect the elastic scattering of WIMPs from the galactic dark matter halo on germanium bolometers. The most problematic background arises from neutrons, which can mimic a WIMP interaction in a detector. Neutrons are notably induced by high energy cosmic ray muons reaching the underground laboratory despite the 4800 m w.e. of rock overburdened. Remaining muons are tagged using an active muon-veto system of 46 plastic scintillator modules surrounding the experiment, which allows to reject most of the associated background. The goal of this thesis was to give a precise estimation of the irreducible muon-induced neutron background, needed to identify a potential WIMP signal. The expected background depends on the geometry of the experiment as well as on the used materials, both strongly modified since EDELWEISS-II. Geant4-based simulations of muons through the modified geometry were performed to derive the rate of events induced by muons in the bolometer array. This rate has been shown to be in good agreement with the measured one extracted from the Run308 data. In parallel, a lower limit on the muon-veto efficiency was derived using bolometer data only. A new method based on an AmBe source was developed to extract precisely the detection efficiency of individual modules from the simulation. From these results, it was shown that the expected background is negligible for the WIMP search analyses performed with the Run308 data and won't limit the future sensitivity of the EDELWEISS-III experiment

La matière sombre est considérée comme l'un des plus grands mystères dans la cosmologie moderne. En effet, on peut dire que l’on connaît plus sur ce que la matière sombre n'est pas que sur sa vraie nature. La collaboration SuperCDMS travaille sans répit pour réussir à faire la première détection directe de la matière sombre. À cet effet, la collaboration a eu recours à plusieurs expériences et simulations à diverses échelles, pouvant aller de l'usage d'un seul détecteur semi-conducteur, jusqu'à la création d'expériences à grande échelle qui cherchent à faire cette première détection directe de la matière sombre. Dans ce texte, on verra différentes méthodes pour nous aider à mieux comprendre les erreurs systématiques liées à la position du détecteur utilisé dans le cadre des expériences IMPACT@TUNL et IMPACT@MTL, soit l'usage des simulations et de la radiologie industrielle respectivement. On verra aussi comment l'implémentation de la méthode de réduction de variance connue comme échantillonnage préférentiel, peut aider à améliorer l'exécution des simulations de l'expérience à grande échelle planifiée pour le laboratoire canadien SNOLAB. En outre, on verra comment l'échantillonnage préférentiel s'avère utile non seulement pour mieux profiter des ressources disponibles pour la collaboration, mais aussi pour avoir une meilleure compréhension des source de bruits de fond qui seront présentes à SNOLAB, tels que les signaux générés par la désintégration radioactive de divers isotopes. / Dark matter is one of the biggest mysteries of modern-day cosmology. Simply put, we know much more about what it is not, rather than what it actually is. The SuperCDMS collaboration works relentlessly toward making the first direct detection of this type of matter. To this effect, multiple experiments and simulations have been performed, ranging from small-scale testing of the detectors to large-scale, long-term experiments, looking for the actual detection of dark matter. In this work, I will analyze different methods to help understand the systematic errors linked to detector position in regard to the small-scale experiments IMPACT@TUNL and IMPACT@MTL, through simulation and industrial radiography respectively. We will also see how the implementation of the variance reduction method known as importance sampling can be used to improve the simulation performance of the large-scale experiment in the Canadian laboratory SNOLAB. Additionally, we will see how this method can provide not only better management of the computing resources available to the collaboration, but also how it can be used to better the understanding of the background noises, such as the signals generated by radioactive decay of different isotopes, that will be present at SNOLAB.

Dark matter has been inferred from various observations such as in galaxy clusters, flat galactic rotation curves, gravitational lensing measurements and the cosmic microwave background. Despite overwhelming observational evidence and ongoing searches, a clear signal of dark matter has not yet been detected. Searches for dark matter include direct detection of dark matter scattering off target nuclei in underground detectors and indirect detection of dark matter annihilation- and decay products. A promising way to detect these invisible particles is by capture of dark matter in the Sun. Dark matter from the galactic halo is assumed to scatter off solar nuclei and being captured provided that their velocities are smaller than the Sun's escape velocity. The captured particles are assumed to continuously scatter until reaching thermal equilibrium. As dark matter is accumulated in the Sun, they will start to annihilate. The resulting annihilation products are what we hope to detect on Earth. We review the capture rate of elastic and inelastic dark matter in the Sun and dark matter direct detection. Lower bounds on the solar capture rate for a given dark matter mass can be obtained independently of halo-related properties e.g., the dark matter velocity distribution and local density, if one assumes that a direct detection signal has been observed. These bounds can be compared to solar neutrino flux bounds in detectors to obtain limits on the branching fraction of annihilation of dark matter resulting in neutrinos. Lower bounds for the elastic and exothermic inelastic dark matter are computed assuming the Standard Halo Model. The exothermic bounds are strong and larger than the elastic bounds as well as those that would be obtained in the endothermic case. / Existensen av mörk materia har idag gjorts trolig genom t.ex. observationer av galaktiska kluster, galaktiska rotationskurvor, gravitationslinsmätningar och den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Trots ett stort antal observationer, så har vi emellertid inte lyckats detektera en tydlig signal för mörk materia. I sökandet ingår direkt detektion av kollisioner mellan mörk materia och atomkärnor i underjordiska detektorer samt indirekt detektion av dess annihilation- och sönderfallsprodukter. Ett särskilt lovande sätt, på vilket dessa osynliga partiklar kan tänkas detekteras, är genom infångning av mörk materia i solen. Mörk materia från den galaktiska halon antas då spridas på solatomkärnor och infångas förutsatt att deras hastighet är lägre än flykthastigheten från solen. De infångade partiklarna antas därefter kollidera tills dess att de uppnår termisk jämvikt. När mörk materia har ackumulerats i solen så börjar den att annihilera, och det är de resulterande annihilationsprodukterna som vi hoppas kunna detektera här på jorden. Vi undersöker infångning av elastisk och inelastisk mörk materia i solen och direkt detektion av mörk materia. Nedre gränser för solinfångning för en given mörk materiamassa kan erhållas oberoende av halo-relaterade egenskaper som t.ex. mörk materiahastighetsfördelning och lokal densitet, under antagandet att en direkt detektionssignal har observerats. Dessa gränser kan jämföras med flödeshastigheten av neutrinos från solen för att erhålla gränser för övergångssannolikheter för annihilation av mörk materia som resulterar i neutrinos. Nedre gränser för elastisk och exotermisk inelastisk mörk materia är beräknade genom att anta Standard Halo Modellen. De exotermiska gränserna är starka och högre än de elastiska gränserna såväl som de som skulle ha erhållits i det endotermiska fallet.

No description available.

Le travail de thèse porte sur une étude d'impact de différentes structures SOA sur la transmission optique de signaux OFDM modulés en intensité et reçus en détection directe (IMDD-OOFDM), dans le cadre des réseaux d'accès de nouvelle génération (σGPτσ). Dans la première partie du travail, nous avons d’abord validé expérimentalement la modélisation d’un RSτA sur une large plage d’utilisation. Ce modèle a ensuite été implémenté dans le cadre d'une plate-forme de co-simulation pour les systèmes de transmission IMDD-OOFDM et pour la conversion en longueur d'onde de signaux OOFDM avec une validation expérimentale. Une analyse approfondie des performances de transmission a été ensuite menée en termes de puissance optique et de longueur d’onde injectées, de longueur de fibre, de l’émission spontanée amplifiée (ASE), de la bande passante électrique et des non-linéarités du RSτA. Nous avons notamment montré théoriquement qu’une capacité minimale de transmission de 8,9 Gb/s sur 100 km pouvait être atteinte sur une plage de 100 nm avec le RSOA utilisé et avec l’aide d’une modulation adaptative (AMττFDM). Nous avons également démontré expérimentalement, pour la première fois à notre connaissance, la conversion de longueur d'onde de signaux optiques OOFDM-16QAM sur une plage de 70 nm en utilisant l'effet XGM du RSOA. Dans la seconde partie, nous avons développé la modélisation de plusieurs structures de SOA : un SOA à îlots quantiques (QD SOA), un SOA bi-électrodes et deux SOA cascadés en configuration contra-propagative. Nous avons étudiés leurs performances en transmission à l’aide de la modulation AMττFDM. Nous avons montré que ces structures présentent une capacité de transmission allant jusqu’à 30 Gb/s avec des distances de transmission jusqu'à 60 km. Nous avons montré également que le QD-SOA présente de meilleures performances en termes de capacité de transmission pour des distances allant jusqu'à 140 km en comparaison avec les deux autres configurations. / The thesis work deals with study of different SOA structures impact on the transmission of intensity modulation and direct detection OFDM signals in the context of the next generation access networks. In the first part of the work, we have experimentally validated a comprehensive wideband RSOA field model. It was the nused as part of a co-simulation platform for IMDD-OOFDM and OOFDM wavelength conversion transmission systems. Thanks to this co-simulation platform that presents good agreement with the measurement, and our experimental setup, we analyze the transmission performance in terms of optical input power, fiber length, ASEnoise, electrical bandwidth and RSOA nonlinearities. We showed by simulation that an AMOOFDM signal transmission over a 100 nm wavelength range with a minimum transmission capacity of 8.9 Gb/s for fiber lengths up to 100 km can be reached. Finally, we experimentally demonstrated, for the first time to the best of our knowledge, the feasibility of performing wave length conversion over 70 nm of OOFDM-16QAM optical signals using the XGM effect in an RSOA. In the second part of this work we develop a simplified quantum dot –SOA and two electrode SOAintensity modulator models and study their effect on a numerical OFDM IMDD transmission system, we also study a two cascaded SOA in a counter propagating configuration as an intensity modulator. We find that for the three configurations we can achieve a high transmission capacity of around 30 Gb/s for transmission distances up to 60 Km, we also find that the QD-SOA will have the best performance in terms of transmission capacity for distances up to 140 Km in comparison with the two other SOA configurations.

Die Photodynamische Inaktivierung von Mikroorganismen (PDI) ist eine vielversprechende Methode zur Bekämpfung verschiedener Mikroorganismen. Grundlage der PDI ist die Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies in toxischer Dosis, insbesondere von Singulettsauerstoff (1O2). Die Generierung von 1O2 erfolgt durch die Wechselwirkung eines Photosensibilisators mit Licht und molekularem Sauerstoff. Ein direkter Nachweis von 1O2 ist nur durch die Detektion seiner Phosphoreszenz bei 1269 nm (1O2 Lumineszenz) möglich. Die Kinetik der 1O2 Lumineszenz erlaubt Rückschlüsse auf die Mikroumgebung des Photosensibilisators. Die Phosphoreszenz-Quantenausbeute des 1O2 ist sehr gering und die spektrale Lage der 1O2 Lumineszenz bedingt geringe Detektionseffizienz und hohes Rauschen. Daher erfordert die zeitaufgelöste Detektion der 1O2 Lumineszenz hohen Aufwand an Technik und Fachwissen. Bisher gelang die zeitaufgelöste Detektion von 1O2 Lumineszenz an Mikroorganismen nur in Suspensionen. In dieser Arbeit werden Grundlagen für die Nutzung der orts- und zeitaufgelösten Detektion der 1O2 Lumineszenz auf Oberflächen als Werkzeug für die Evaluierung der PDI auf Oberflächen vorgestellt. Um diese Grundlagen zu schaffen, wurde ein Messplatz zur orts- und zeitaufgelösten Detektion von 1O2 Lumineszenz auf Oberflächen geplant, konstruiert, charakterisiert und getestet. In Untersuchungen an vier verschiedenen Mikroorganismen mit zwei Photosensibilisatoren gelingt erstmals der direkte, zeitaufgelöste Nachweis von 1O2 an Oberflächen kultivierter Mikroorganismen. Durch den Vergleich von Fluoreszenz-Scans und 1O2 Lumineszenz-Scans können Aussagen über das Diffusionsverhalten der Photosensibilisatoren und das 1O2 Lumineszenz Quenching der Mikro-organismen getroffen werden. Eine Analyse der 1O2 Lumineszenzkinetik zeigt, dass die Detektion der 1O2 Lumineszenz und die Bestimmung der 1O2 Lumineszenzkinetik im Zeitraum der PDI aller untersuchten Mikroorganismen möglich ist. / The Photodynamic Inactivation of Microorganisms (PDI) is a promising method to combat different microorganisms. The mechanism of PDI is based on the selective generation of reactive oxygen species, particularly of singlet oxygen (1O2), in a lethal dose. 1O2 is generated via the interaction of a photosensitizer with light and molecular oxygen. The only method for directly detecting 1O2 is the measurement of its characteristic phosphorescence at 1269 nm (1O2 luminescence). The kinetics of the 1O2 luminescence can be utilized to draw conclusions about the microenvironment of the photosensitizer. Due to the extremely low phosphorescence quantum yield of 1O2 and low detection efficiency because of its spectral position, the detection of 1O2 luminescence requires a considerable amount of specialised knowledge and technical efforts. Hitherto, the time-resolved detection of 1O2 luminescence at microorganisms has only been successful in suspensions. This thesis presents fundamentals for the use of laterally and time-resolved detection of 1O2 luminescence as a tool for evaluating PDI of microorganisms on surfaces. To provide these fundamentals, a setup for lateral and time-resolved 1O2 luminescence detection was planned, constructed and characterised. In studies regarding four different microorganisms and two photosensitizer, the direct time-resolved detection of 1O2 luminescence on the surface of cultured microorganisms was succeeded for the first time. The comparison of fluorescence and 1O2 luminescence scans allows gathering information about the diffusion properties of the photosensitizer as well as the quenching properties of the microorganisms. The analysis of the 1O2 luminescence kinetics exemplifies, that the determination of the 1O2 luminescence kinetics is possible over the period of the microorganisms’ PDI.

The atmospheric lightwave propagation is considerably influenced by the random variations in the refractive index of air pockets due to turbulence. This undesired effect significantly degrades the performance of free-space optical (FSO) communication systems. Interestingly, the severity of such random degradations is highly related to the range of atmospheric propagation. In this thesis, we introduce relay-assisted FSO communications as a very promising technique to combat the degradation effects of atmospheric turbulence. Considering different configurations of the relays, we quantify the outage behavior of the relay-assisted system and identify the optimum relaying scheme. We further optimize the performance of the relay-assisted FSO system subject to some power constraints and provide optimal power control strategies for different scenarios under consideration. Moreover, an application of FSO relaying technique in quantum communications is investigated. The results demonstrate impressive performance improvements for the proposed relay-assisted FSO systems with respect to the conventional direct transmission whether applied in a classical or a quantum communication channel.