This thesis deals with the topic of 3D image processing for digital holographic microscopy - numerical refocusing. This method allows to perform mathematically accurate defocus correction on image of a sample captured away from the sample plane and it was applicable only for images that were made made using coherent illumination source. It has been generalized to a form in which it is also applicable to devices that use incoherent (non-monochromatic or extended) illumination sources. Another presented achievement concerns hologram processing. The advanced hologram processing method enables obtaining more data mainly concerning precision of quantities from one hologram — normally, one would have to capture multiple holograms to get those. Both methods have been verified experimentally.

Ein neuentwickeltes azobenzenhaltiges Material, das auf einem supramolekularen Konzept basiert, wird bezüglich seiner Strukturbildung während einer holografischen Belichtung bei 488 nm untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei eindimensionale, sinusförmige Reliefs mit Periodizitäten kleiner 500 nm. Es wird gezeigt, wie der Grad der Vernetzung der photosensitiven Schicht die Strukturbildung in diesem Größenbereich beeinflusst. Zur Maximierung der Strukturtiefe werden gezielt Prozessparameter der Belichtung sowie Materialparameter variiert. Unter Standardbedingungen und moderaten Belichtungsintensitäten von ca. 200 mW/cm² bilden sich innerhalb weniger Minuten bei einer Periode von 400 nm Strukturtiefen von bis zu 80nm aus. Durch die Beeinflussung von Materialparametern, wie Oberflächenspannung und Viskosität, wird die maximale Strukturtiefe auf 160nm verdoppelt. Durch Mehrfachbelichtungen wird auch die Bildung von zweidimensionalen Gittern untersucht. Die Originalstrukturen werden in einem Abformverfahren kopiert und in Schichten von unter UV-Licht aushärtenden Polymeren übertragen. Durch das Abformen kommt es zu einer geringfügigen Verschlechterung der Oberflächenqualität sowie Abnahme der Strukturtiefe. Dieser Verlust wird durch eine Verringerung der Prozesstemperatur verringert. Mithilfe kopierter Oberflächengitter werden organische Distributed Feedback-(DFB)-Laser zweiter Ordnung hergestellt, um den Einfluss von Gitterparametern auf die Emissionseigenschaften dieser Laser zu untersuchen. Dazu erfolgt zunächst die Charakterisierung der optischen Verstärkungseigenschaften ausgewählter organischer Emittermaterialien mittels der Variablen Strichlängenmethode. Das mit dem Laserfarbstoff Pyrromthen567 (PM567) dotierte Polystyrol (PS) zeigt dabei trotz konzentrationsbedingter geringer Absorption eine vergleichsweise geringe Gewinnschwelle von 50µJ/cm² bei ca. 575 nm. Das aktive Gast-Wirt-System der konjugierten Polymere MEH-PPV und F8BT* weist eine hohe Absorption und eine kleine Gewinnschwelle von 2,5 µJ/cm² bei 630 nm auf. Dieses Verhalten spiegelt sich auch in den Emissionseigenschaften der damit hergestellten DFB-Laser wieder. Die Dicke der aktiven Schichten liegen im Bereich hunderter Nanometer und wird so eingestellt, dass sich nur die transversalen Grundmoden im Wellenleiter ausbreiten können. Die Gitterperiode sind so gewählt, dass ein Lichtmode im Verstärkungsbereich des Emittermaterials liegt. Die Emissionslinien der Laser sind mit FWHM-Werten von bis zu 0,3 nm spektral sehr schmalbandig und weisen auf eine sehr gute Gitterqualität hin. Die Untersuchungen liefern minimale Laserschwellen und maximale differentielle Effizienzen von 4,0µJ/cm² und 8,4% für MEH-PPV in F8BT* (bei ca. 640nm) sowie 80 µJ/cm² und 0,9% für PM567 in PS (bei ca. 575 nm). Die Vergrößerung der Strukturtiefe von 40nm auf 80nm in mit MEH-PPV dotierten F8BT*-Lasern zu einem deutlichen Anstieg der ausgekoppelten Energie sowie der differentiellen Effizienz und einem geringen Absinken der Laserschwelle. Dies ist ein Resultat der erhöhten Kopplung von Lasermode und Gitter. Die Emission von DFB-Lasern mit zweidimensionalen Oberflächengittern zeigen eine Verringerung der Divergenz aber kein Einfluss auf die Laserschwelle. Abschließend erfolgt eine Vermessung der Photostabilität von DFB-Lasern unter verschiedenen Bedingungen. Das Einbringen eines konjugierten Polymers in eine aktive Matrix sowie der Betrieb in einer Stickstoffatmosphäre führen dabei zu einer Erhöhung der Lebensdauer auf über eine Million Pulse. Durch die Kombination von Oberflächengittern in PDMS-Filmen mit elektroaktiven Substraten wird eine elektrisch steuerbare Deformation des Beugungsgitters erreicht und auf einen DFB-Laser übertragen. Die spannungsinduzierte Verformung wird zunächst in Beugungsexperimenten charakterisiert und ein optimaler Arbeitspunkt bestimmt. Mit den beiden Elastomeren SEBS12 und VHB4910 werden in den Gittern maximale Periodenänderungen von 1,3% bzw. 3,4% bei einer Steuerspannung von 2 kV erreicht. Der Unterschied resultiert aus den verschiedenen Elastizitätsmoduln der Materialien. Übertragen auf DFB-Laser resultiert eine Variation der Gitterperiode senkrecht zu den Gitterlinien in einer kontinuierlichen Verschiebung der Emissionswellenlänge. Mit einem Spannungssignal von 3,25 kV wird die schmalbandige Emission eines elastischen DFB-Lasers kontinuierlich um fast 50nm von 604 nm zu 557 nm hin verschoben. Aus dem Deformationsverhalten sowohl der reinen Beugungsgitter als auch der Laser werden Rückschlüsse auf die Elastizität der verwendeten Materialien gezogen und erlauben Verbesserungen der Bauteile. / The photoinduced surface relief formation in a newly developed azobenzene containing material is investigated. A photosensitive film based on a supramolecular material concept is illuminated in a holographic setup with light at 488 nm leading to sinusoidal surface structures. It can be shown how the degree of network formation within the material influences structure formation at periods below 500nm. Different material and process parameters are varied to determine maximum possible structure amplitude. At moderate recording conditions and illumination intensities of 200 mW/cm² maximum structure amplitudes of 80 nm are formed within several minutes at periods of approximately 400 nm. Changing material parameters like surface tension and viscosity leads to an increase of maximum amplitude to 160 nm. Additionally, twodimensional structures are fabricated by multiple recording steps. Original surface structures are copied by soft lithography methods into films of UV cured polymers. This replication leads to a decrease of structure contrast and increase of surface roughness. It is shown that structure contrast is preserved by reduction of process temperature. Organic second order distributed feedback (DFB) lasers are prepared with the help of replicated surface gratings covered with organic active layers with thicknesses of several hundred nanometers. The lasers are investigated regarding the influence of grating amplitude on laser threshold and slope efficiency. For this, the optical gain of two green/red emitter materials, polystyrene (PS) doped with laser dye pyrromethene567 (PM567) and active guest host system of conjugated polymers MEH-PPV and F8BT*, is measured. PS doped with PM567 shows relatively low gain threshold of 50 µJ/cm² at 575 nm caused by the low dye concentration while F8BT* doped with MEH-PPV shows threshold gain of 2.5 µJ/cm² at 630 nm. Similar behavior is observed during laser action. Following Bragg-condition grating periods at approximately 400nm lead to laser emission within the gain spectra of the materials. DFB lasers show single mode narrow line emission with FWHMs of down to 0.3nm. This is a result of high grating quality. Lasers based on MEH-PPV-F8BT* exhibit laser thresholds and slope efficiencies of 4.0µJ/cm² and 8.4%, respectively. PM567-PS lasers exhibit 80 µJ/cm² and 0.9%. An increase of grating amplitude of a MEH-PPV-F8BT*-DFB laser from 40nm to 80nm leads to a considerable increase of energy output and a slight decrease of laser threshold. This is a result of an increase of coupling between light mode and grating which relates to an increase of reflectivity. The use of a two dimensional grating leads to a decrease of divergence angle of laser emission but shows no influence on laser threshold. Finally, laser lifetime is observed under different conditions. Doping the conjugated polymer MEH-PPV in an active matrix in combination with the allocation of nitrogen atmosphere leads to an prolongation of half life time to several million pulses. The combination of elastic surface relief gratings with electro active substrates enables electrical controlled deformation of the surface structure. This deformation is characterized by diffraction measurements. At optimal working conditions electro active substrates based on elastomers SEBS12 and VHB4910 show maximum grating deformation of 1.3% und 3.4% at actuation voltages of 2kV, respectively. The different results are caused by the different elastic modulus of the elastomer materials. The transfer of deformation principle to elastic DFB lasers leads to a continuously shift of emission wavelength. At an actuation voltage of 3.25kV an elastic DFB laser based on polyvinylacetate doped with PM567 shows a shift of nearly 50 nm, from 604 nm to 557 nm. Deformation behavior of grating and laser allow to draw conclusions on elasticity of the material and with this is tool for the improvement of the device.

Proefschr. Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit.opg.-Met samenvatting in het Nederlands.

This thesis deals with an experimental research of the surface plasmon polaritons (SPPs) using Scanning Near-field Optical Microscopy (SNOM). The first chapter provides theoretical background and a description of most of the physical phenomena and relevant dependencies studied in this work. These dependencies include the dependence of the resulting SPP image on homogeneity, polarization, wavelength and phase of the illumination, on the geometry of the interference structures and on the tilt of the sample with respect to the illumination. Further, this work presents a new experimental method which, using the numerical simulations or SNOM measurements, allows to estimate the sensitivity of SNOM probe to detect the individual electric intensity components of the near-field. At the end of the thesis, the work presents a new microscopic technique which enables a 3D quantitative imaging of phase distribution above the plasmonic metasurfaces.

This work describes a relatively new technique designed to write highly parallel programs, that name is OpenCL. It is intended for both GPU and CPU and other parallel processors. Libraries used by the processor architecture, which includes a large number of small cores. These cores are not as comprehensive as conventional processors and is therefore suitable for calculations, which are many and they are simple. It is this property could, under certain conditions, accelerate the calculation of the hologram, namely the calculation of the optical field. While the calculation itself is simple, but the amount of processed data is large and therefore slow. The work also contain the basic concepts of explanation of optical and digital holography.

This thesis focuses on cell tracking in image sequences acquired using a multimodal holographic microscope (MHM). The principles of holographic microscopy are described together with the application in cells acquisition. The main part of the thesis describes a complete approach for segmentation and tracking of single cells in acquired in long-term sequences. The approach is designed based on parametric active contour models with specific modifications to achieve reasonable precision and robustness. The implemented method is described in detail, including the evaluation and demonstration of results.

Das Themenfeld der Holografie eignet sich hervorragend für einen Aufbau metakonzeptioneller Fähigkeiten seitens der Schülerinnen und Schüler bei der Verwendung verschiedener Lichtmodelle. Zusätzlich gilt es als eines der wenigen Experimente in der gymnasialen Oberstufe als hochgradig motivierend. Diese Dissertation beschäftigt sich daher mit der Übertragung des Maker-Buchs „Hologramme zum Selbermachen“ in einen modernen Physik-Unterricht. Hierbei gliedert sich die Arbeit in drei Kernbereiche: 1) Entwicklung einer schülergerechten und an den Unterricht anknüpfbaren Experimentier-Plattform, 2) Analyse der Eignung des Maker-Buchs für den Unterricht und 3) Entwicklung von Unterrichtsmaterialien, die die Inhalte des Buchs in einen forschenden und schüleraktiven Physik-Unterricht integrieren. Es wird außerdem gezeigt, dass sich das Schema zur Erstellung der Materialien eignet, andere Bände der Buchreihe „1.000 Laser-Hacks für MAKER“ mit geringem Aufwand in die Schule zu übertragen.

This thesis deals with the topic of 3D image processing for digital holographic microscopy - numerical refocusing. This method allows to perform mathematically accurate defocus correction on image of a sample captured away from the sample plane and it was applicable only for images that were made made using coherent illumination source. It has been generalized to a form in which it is also applicable to devices that use incoherent (non-monochromatic or extended) illumination sources. Another presented achievement concerns hologram processing. The advanced hologram processing method enables obtaining more data mainly concerning precision of quantities from one hologram — normally, one would have to capture multiple holograms to get those. Both methods have been verified experimentally.

In this thesis we study various aspects of integrable methods in AdS3/CFT2 holog- raphy. These techniques come from exploiting special form of gauge compatible with asymptotic boundary conditions on the bulk fields in Chern Simons formulation of 3d gravity and higher spin theories. The integrable systems emerging are so called Toda field theories. The rigid structure of these theories allows us to learn more about certain gravitational solutions - multi centered solutions. One of the most interesting applications of the formalism developed is in the problem of black hole deconstruction and information paradox where we can read of the information about the temperature from the Toda field theory charges and. Aside of the gravitational applications we also study a vast generalization of the WZW to Toda field theory reduction and its connection to the Closed Toda systems. 1

Near-field acoustical holography is a standard method for sound source visualization and localization. In this thesis, commonly used and newly published near-field acoustic holography methods are introduced and analysed. In addition, regularization methods are presented together with finding options of optimal regularization parameter. Based on theory, a LabVIEW library is built containing four implemented near-field acoustical holography algorithms and two regularization methods. To verify the correctness of implementations, a testing application has been made. This application allows testing of implemented algorithms with simulated or experimentally measured data. The correctness of implementation is verified, and algorithms are compared to each other with respect to accuracy and speed of calculation.