Increasing global warming with droughts, forest fires and melting polar ice has forced the world to speed up the transition from fossil fuel to fossil free energy. A big part of it is the use of solar energy. To obtain solar thermal energy, different sorts of solar collectors have been developed. One of these are the parabolic solar collector, a trough which concentrates the sun rays onto a receiver tube, which in turn absorbs the thermal heat. Absolicon Solar Collector AB is a Swedish company developing a parabolic solar collector named T160. These collectors are optically verified in the end of the Absolicon production line to decide if they meet the expected criteria. The verification of the parabolic shape is of utmost importance for the performance of the trough while a shape error can cause the beam to hit the receiver tube in a sub-optimal angle or miss it completely. If this were to happen, all of the energy can not be extracted. Earlier research have developed different methods for finding slope errors, deviations in the normal angles, in the trough but does not investigate the connection between slope errors and the trough shape errors that might have caused the deviations. This report aims to develop an algorithm based on slope errors in a parabolic trough collector which identifies four predetermined common shape errors in the trough. Identifying shape errors help to quickly identify and correct systematic deviations. In addition, this work aims to implement a new acceptance criteria based on slope errors for the solar collectors to make sure they hold up to their standard. The algorithm should also be compatible with a new camera system being implemented in the optical verification at Absolicon. This is done by deriving mathematical expressions for the normal angles in the trough with respect to the shape errors. By using the Pinhole Camera Model, the Law of Reflection and geometric properties of the solar collector, it is possible to convert pixel coordinates of receiver tube edges in images to normal angles. The resulting deviation in normal angle compared to the ideal ones are analysed and fitted to the mathematically derived expression for the normal angles by a build in minimization method in the tool lmfit in Python which uses non-linear least squares to detect type shape errors. The acceptance criteria and compatibility with the new system is implemented and taken into account. The results show that the calculation of slope errors from the data is valid with an uncertainty of 0.82 mrad and expected differences in the acceptance criteria quality value is seen when dealing with solar collectors with different type shape errors. The type shape error algorithm finds the correct shape errors for noisy self-created data which shows that the method works. The results when testing on real collectors with forced shape errors show potential but is in need of further adjustments and more clean precise data to produce certain accurate results. The algorithm is a good start to create a tool for finding typical shape errors in parabolic solar collectors.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2008. / Dateien im PDF-Format.

Bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine werden Informationen vorrangig über die haptischen, optischen und akustischen Kanäle ausgetauscht. In diesem Beitrag steht die bislang kaum untersuchte Forschungsfrage im Fokus, ob und, wenn ja, wie haptische und optische Einschätzungen von Probanden differieren. In dem Beitrag wird eine Laborstudie zur grundlagenorientierten Untersuchung von Oberflächen vorgestellt. Dabei werden Materialien des Interieurs und Exterieurs von Automobilen untersucht. Es zeigt sich, dass in bestimmten Bewertungsdimensionen ein Unterschied zwischen den Modalitäten besteht.

Dieses Lehrbuch ist für die Physik-Grundlagenausbildung im Nebenfach für die Ingenieurwissenschaften geschrieben und besonders auf die Fakultät Elektro- und Informationstechnik zugeschnitten.

Diese Arbeit beinhaltet experimentelle und theoretische Untersuchungen der optischen Frequenzverdopplung (second-harmonic generation, kurz SHG) an metallischen Nanopartikeln. Frequenzverdopplung bedeutet, daß ein bei der Frequenz omega angeregtes Nanopartikel Strahlung der Frequenz 2*omega emittiert. Dieser Effekt tritt nicht nur in Materialien mit nichtzentrosymmetrischer Kristallstruktur, sondern auch an der Oberfläche von Metallen auf. Deshalb läßt er sich gut mit plasmonischen Feldüberhöhungen an metallischen Nanoantennen verbinden. Die Frequenzverdopplung wird an verschiedenen Nanostrukturen wie dreieckförmigen, stäbchenförmigen und vor allem kegelförmigen Nanopartikeln experimentell untersucht, welche aufgrund ihrer scharfen Spitzen starke SHG-Signale emittieren. Besonders die Kegel sind interessant: Bei Anregung mit einem fokussierten, radial polarisierten Strahl dominiert je nach Kegelgröße und Umgebungsmedium ein SHG-Signal entweder von der Spitze oder von der Bodenkante des Kegels. Diese an den Kegeln gemessenen Resultate werden durch theoretische Untersuchungen untermauert. In diesen Rechnungen werden die plasmonischen Feldüberhöhungen und die sich daraus ergebende Frequenzverdopplung für einen Kegel mit verschiedenen Parametern modelliert. An einem einzelnen Kegel gewonnene Resultate werden auch mit den Fällen eines kugelförmigen und eines stäbchenförmigen Partikels verglichen. Ein weiterer Gegenstand der theoretischen Untersuchungen ist die Superposition der zweiten Harmonischen von mehreren emittierenden Nanopartikeln zu einem Feldmaximum. Dabei wird eine kreisförmige Anordnung von 8 Nanostäbchen bzw. Nanokegeln von einer radial polarisierten Mode angeregt. Die Superposition der emittierten zweiten Harmonischen ergibt ein Feldmaximum innerhalb der Anordnung der Emitter. Durch eine Verkippung des anregenden Strahls kann dieser Fokus im Raum bewegt werden. Letztere Untersuchung ist insbesondere interessant im Hinblick auf lokalisierte photochemische Reaktionen, die durch das frequenzverdoppelte Licht von Nanopartikeln ausgelöst werden sollen. Mit chemischen Substanzen, die bei omega transparent, bei 2*omega aber photoreaktiv sind, wäre im Nahfeld dieser Nanoantennen eine starke Lokalisierung der Reaktion auf Bereiche kleiner als 100~nm möglich. Anhand von Photolacken und Polymermatrizen mit diesen Eigenschaften wird experimentell untersucht, ob frequenzverdoppeltes Licht überhaupt solche Reaktionen auslösen kann oder ob die photochemische Reaktionen überwiegend durch direkte Zwei-Photonen-Absorption des anregenden Lichts ausgelöst werden. Die Ergebnisse zeigen allerdings, daß die Zwei-Photonen-Absorption dominant ist. Durch die Zwei-Photonen-Absorption im Nahfeld von Partikeln ist aber dennoch eine vergleichbare Lokalisierung der Reaktion möglich.:1. Einführung 1.1 Frequenzverdopplung an Nanopartikeln 1.2 Photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Nichtlineare optische Effffekte zweiter Ordnung 2.2 Frequenzverdopplung in Metallen 2.3 Frequenzverdopplung bei metallischen Nanopartikeln 2.4 Überlagerung der Strahlung mehrerer frequenzverdoppelter Dipole 2.5 Core-Shell-Nanopartikel mit nichtzentrosymmetrischem Kern 3. Experimenteller Aufbau 3.1 Beleuchtung der Proben und Detektionspfad 3.2 Objektiv und Probenhalter 3.3 Realisierung der radial polarisierten Mode 4. Messungen der zweiten Harmonischen an Nanostrukturen 4.1 Einzelne kugel- und stäbchenförmige Goldnanopartikel 4.2 Nanodreiecke (Fischer-Pattern) 4.3 Nanokegel 4.4 Nanostäbchen-Teppiche 4.5 Zusammenfassung 5. Nichtlinear-optisches photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 5.1 Photochemische Reaktionen auf der Sub-100nm-Skala 5.2 Erste Versuche an Photolacken 5.3 Photochemisches Schreiben auf azobenzolhaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.4 Photochemisches Schreiben auf azosulfonathaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.5 Ausblick 6. Zusammenfassung und Ausblick Anhang A. Darstellung der radialen Mode und des z-polarisierten Fokus B. Mehode der multiplen Multipole (MMP) C. Präparation der Proben Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Verzeichnis der Tabellen Verwendete Abkürzungen Liste der Veröffffentlichungen Danksagung Erklärung / This work includes experimental and theoretical investigations of second-harmonic generation (SHG) at metallic nanoparticles. SHG means that a nanoparticle that is excited at the frequency omega emits radiation at the frequency 2*omega. SHG does not only occur in materials with noncentrosymmetric structure, but also on metal surfaces. Hence, SHG can be combined well with plasmonic field enhancement at metallic nanoantennae. SHG is investigated experimentally at different nanostructures such as triangle-like, rod-like and especially cone-like nanoparticles. With their sharp tips these structures show a much stronger SHG signal than spherical nanoparticles. Especially the cones are interesting: Excited with a focused radially polarized beam, for different cone sizes and in different surrounding media either the signal from the tip or the signal from the bottom edge dominates. The measurement results from the cones are underpinned by theoretical investigations. In these calculations the plasmonic field enhancements and the resulting SHG are modeled for a cone with different parameters. The single-cone results are also compared with the cases of a spherical or rod-shaped particle. A further subject of the theoretical investigations is the superposition of the SHG radiation from a number of emitting nanoparticles to a field maximum. For that, a circular arrangement of 8 nanorods or nanocones is excited by a radially polarized beam. The superposition of the second-harmonic radiation fields yields a field maximum in the space between the emitters. A tilt of the exciting beam can move this focus in space. The latter item is of special interest concerning localised photochemical reactions induced by the second-harmonic light from nanoparticles. In the near field of these nanoantennae, a strong localisation of the reaction on regions smaller than 100 nm would be possible by using chemical substances being transparent at omega, but photoreactive at 2*omega. With photoresists and polymer matrices, experiments are carried out to investigate whether SHG light can trigger such reactions at all, or if these photochemical reactions are triggered predominantly by direct two-photon absorption of the exciting light. The results show that the two-photon absorption is the dominant process. Yet, through two-photon absorption in the near field of particles, the localisation of the reaction is still similar.:1. Einführung 1.1 Frequenzverdopplung an Nanopartikeln 1.2 Photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Nichtlineare optische Effffekte zweiter Ordnung 2.2 Frequenzverdopplung in Metallen 2.3 Frequenzverdopplung bei metallischen Nanopartikeln 2.4 Überlagerung der Strahlung mehrerer frequenzverdoppelter Dipole 2.5 Core-Shell-Nanopartikel mit nichtzentrosymmetrischem Kern 3. Experimenteller Aufbau 3.1 Beleuchtung der Proben und Detektionspfad 3.2 Objektiv und Probenhalter 3.3 Realisierung der radial polarisierten Mode 4. Messungen der zweiten Harmonischen an Nanostrukturen 4.1 Einzelne kugel- und stäbchenförmige Goldnanopartikel 4.2 Nanodreiecke (Fischer-Pattern) 4.3 Nanokegel 4.4 Nanostäbchen-Teppiche 4.5 Zusammenfassung 5. Nichtlinear-optisches photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 5.1 Photochemische Reaktionen auf der Sub-100nm-Skala 5.2 Erste Versuche an Photolacken 5.3 Photochemisches Schreiben auf azobenzolhaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.4 Photochemisches Schreiben auf azosulfonathaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.5 Ausblick 6. Zusammenfassung und Ausblick Anhang A. Darstellung der radialen Mode und des z-polarisierten Fokus B. Mehode der multiplen Multipole (MMP) C. Präparation der Proben Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Verzeichnis der Tabellen Verwendete Abkürzungen Liste der Veröffffentlichungen Danksagung Erklärung

Diese Arbeit ist der theoretische Untersuchung nichtlinearer optischer Prozesse in metall-dielektrischen Medien gewidmet, wobei Möglichkeiten zur Ausnutzung der erhöhten nichtlinearen Koeffizienten und der Feldüberhöhung durch metallische Nanoteilchen untersucht wurden. Die wichtigsten Ergebnisse beziehen sich auf eine Untersuchung der zeitabhängigen sättigbaren Absorption in Gläsern, die mit metallischen Nanoteilchen dotiert sind, ihrer physikalischen Ursache sowie verschiedener Anwendungen in der nichtlinearen Optik. Zur Untersuchung der Zeitabhängigkeit der nichtlinearen Rückwirkung wird unter Verwendung des semi-klassischen Zwei-Temperatur-Modells eine zeitabhängige Gleichung für die nichtlineare dielektrische Funktion der Metalle hergeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass solche Gläser, sich als sehr effiziente sättigbare Absorber im Spektralbereich vom sichtbaren bis nahen IR eignen. Für kurzwellige Laser im blau/violetten Spektralbereich wird die Dynamik der Modenkopplung in Festkörper- und Halbleiter-Scheibenlaser untersucht. Weiterhin wird ein neuer Mechanismus für die Realisierung von langsamem Licht vorgeschlagen und im Detail untersucht, der in solchen dotierten Gläsern in einem Pump-Probe Regime infolge der sättigbaren Absorption in der Nähe der Plasmonresonanz realisierbar ist. Weiterhin untersuchten wir die Möglichkeit einer Femtosekunden Plasmon Impulserzeugung durch Modenkopplung eines Oberflächen Plasmonlasers mit einem Bragg Resonator, der aus einer dünnen Schicht aus Silber sowie einem sättigbaren Absorbers und einem Verstärker besteht. Im letzten Teil der Arbeit werden Ergebnisse zur Erzeugung hoher Harmonischer in Edelgasen in der Nähe einer metallischen fraktalen rauen Oberfläche untersucht. Die Berechnungen zeigen eine Reduzierung der geforderten Intensität um drei Größenordnungen und eine um zwei Größenordnungen erhöhte Effizienz gegenüber der bisher experimentell realisierten HHG in der Nähe von metallischen "bow-tie"Nanostrukturen. / This work reports results of a theoretical study of nonlinear optical processes in metal-dielectric nanocomposites used for the increase of the nonlinear coefficients and for plasmonic field enhancement. The main results include the study of the transient saturable nonlinearity in dielectric composites doped with metal nanoparticles, its physical mechanism as well its applications in nonlinear optics. For the study of the transient response, a time-depending equation for the dielectric function of the nanocomposite using the semi-classical two-temperature model is derived. By using this approach, we study the transient nonlinear characteristics of these materials in comparison with preceding experimental measurements. The results show that these materials behave as efficient saturable absorbers for passive mode-locking of lasers in the spectral range from the visible to near IR. We present results for the modelocked dynamics in short-wavelength solid-state and semiconductor disk lasers; in this spectral range other efficient saturable absorbers do not exist. We suggest a new mechanism for the realization of slow light phenomenon by using glasses doped with metal nanoparticles in a pump-probe regime near the plasmonic resonance. Furthermore, we study femtosecond plasmon generation by mode-locked surface plasmon polariton lasers with Bragg reflectors and metal-gain-absorber layered structures. In the final part of the thesis, we present results for high-order harmonic generation near a metallic fractal rough surface. The results show a possible reduction of the pump intensities by three orders of magnitudes and two orders of magnitudes higher efficiency compared with preceding experimental results by using bow-tie nanostructures.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die zeitliche Korrelation von Photonen untersucht, welche durch parametrischer Fluoreszenz in einem nichtlinearen Medium innerhalb eines Resonators erzeugt werden. Dafür wird eine komplette theoretische Beschreibung hergeleitet, welche die zeitlichen Korrelationen zwischen signal-idler, signal-signal und signal-signal-idler Photonen mittels spektraler Eigenschaften der Photonenquelle beschreibt. Damit lässt sich der Einfluss des Resonators auf die zeitlichen Korrelationen bestimmen. Passende experimentelle Messungen werden präzise durch diese Theorie beschrieben, wodurch diese bestätigt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird erstmalig die Austauschphase von Photonen direkt gemessen. Um die Austauschphase in einer direkten Messung zu bestimmen, muss der ursprüngliche Zwei-Photonen-Zustand mit seinem permutierten Zustand interferieren. Für die experimentelle Umsetzung wird ein neues spezielles Interferometer benötigt, welches hier vorgestellt und charakterisiert wird. Mithilfe der durchgeführten Experimente konnten die bosonischen Eigenschaften von Photonen nachgewiesen und eine untere Grenze für eine direkt gemessen Austauschphase festgelegt werden. Der letzte Teil dieser Arbeit untersucht Frequenzkonversion in nichtlinearen Medien. Durch die Verwendung mehrere Kornversionsschritte ist es z.B. möglich die Erzeugung von Rauschphotonen bei bestimmten Zielwellenlänge zu verhindern. Hier wird eine Möglichkeit vorgestellt bei der mehrere Kornversionsschritte innerhalb eines nichtlinearen Kristalls realisiert werden, indem der Kristall lokal verschieden temperiert wird. Die Durchführbarkeit dieser Technik wurde theoretisch untersucht und experimentell bestätigt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten werden ausführlich diskutiert. / The first part of this thesis investigates the temporal correlation of photons, generated in a spontaneous parametric down-conversion process inside of a nonlinear crystal, which is placed in a resonator to enhance specific emission lines. However, the cavity influences the temporal correlation of the photons, which is crucial for most applications. This thesis derives a complete theory to describe the temporal correlations of signal-idler, signal-signal and signal-signal-idler photons using the spectral properties of the photon source. The derived theoretical description precisely predicts the experimental measurements, which were performed to verify the theory. In the second part the exchange phase of photon is measured directly for the first time. Directly, this can only be verified experimentally by interference between the two-photon state and its permuted form. Here a new interferometer technique is introduced to directly determine the photon exchange phase. The experimental results provide evidence of the bosonic nature of photons and state a lower bound for a directly measured exchange phase of photons. The last part deals with frequency conversion in nonlinear materials. Depending on the wavelengths involved, the conversion processes introduce noise at the target wavelength, which is critical at the single photon level. Then multiple conversion steps are required for a low noise frequency conversion. We present an approach to realize multiple conversion steps with a single nonlinear crystal by applying different local temperatures to that nonlinear crystal. The feasibility of that approach is confirmed experimentally and further possible applications are considered.

Diese Arbeit befasst sich mit der Lichttransmission im retinalen Gewebe. Aufgrund der inversen Konfiguration der Wirbeltiernetzhaut muss das ins Auge eintretende Licht zahlreiche Zellschichten durchdringen, bevor es von den Photorezeptoren detektiert wird. Die Autorin geht davon aus, dass die morphologische Heterogenität dieser Zellschichten mit einer optischen Heterogenität einhergeht, welche den Lichttransport zu den Photorezeptoren beeinflusst. In den Versuchsbeschreibungen wird erläutert, wie das native Netzhautgewebe von Meerschweinen verschiedenen osmotischen Stimuli ausgesetzt wurde, um morphologische Veränderungen zu provozieren. Durch die parallele Beobachtung der Durchmesser ausgewählter Zellen der äußeren und inneren Netzhaut, sowie der quantitativen Lichtdurchlässigkeit des Gewebes, konnte die Autorin die morphologischen Veränderungen zur retinalen Lichtdurchlässigkeit in Beziehung setzen. Die Ergebnisse zeigen, dass Zellschwellungen zu einer Erhöhung der quantitativen Lichtdurchlässigkeit und Zellschrumpfungen zu einer Verringerung dieser führen. Es werden folgende Schlüsse gezogen: Die osmotischen Stimuli bewirken Volumenregulationsprozesse, infolge derer sich lokale Brechungsindizes und Extinktionskoeffizienten ändern und die retinale Lichtdurchlässigkeit beeinflussen. Zudem konnte die Autorin durch Versuche mit nativen Primatennetzhäuten nachweisen, dass die Abbildungsqualität im Zentrum der Fovea centralis am besten ist, weil die inneren Netzhautschichten dort nicht vorhanden sind und das Licht direkt auf die Photorezeptoren trifft. Diese Arbeit zeigt, dass die Wirbeltiernetzhaut ein optisch aktives Medium ist, dessen Morphologie die Lichttransmission durch das Gewebe beeinflusst.

<p>Microphotonics has been offering a body of ideas to prospective applicationsin optics. Among those, the concept of photonic integrated circuits (PIC’s) has recently spurred a substantial excitement into the scientific community. Relisation of the PIC’s becomes feasible as the size shrinkage of the optical elements is accomplished. The elements based on photonic crystals (PCs) represent promising candidacy for manufacture of PIC’s. This thesis is devoted to tailoring of optical properties and advanced modelling of two types of photonic crystals: (Bi₃Fe₅O₁₂/Sm₃Ga₅O₁₂)<em>^m</em> and (TiO₂/Er₂O₃)<em>^m</em> potentially applicable in the role optical isolators and optical amplifiers, respectively. Deposition conditions of titanium dioxide were first investigated to maximise refractive index and minimise absorption as well as surface roughness of titania films. It was done employing three routines: deposition at elevated substrate temperatures, regular annealing in thermodynamically equilibrium conditions and rapid thermal annealing (RTA). RTA at 500 ^oC was shown to provide the best optical performance giving a refractive index of 2.53, an absorption coefficient of 404 cm⁻¹ and a root-mean-square surface roughness of 0.6 nm. Advanced modelling of transmittance and Faraday rotation for the PCs (Bi₃Fe₅O₁₂/Sm₃Ga₅O₁₂)⁵ and (TiO₂/Er₂O₃)⁶ was done using the 4 × 4 matrix formalism of Višňovský. The simulations for the constituent materials in the forms of single films were performed using the Swanepoel and Višňovský formulae. This enabled generation of the dispersion relations for diagonal and off-diagonal elements of the permittivity tensors relating to the materials. These dispersion relations were utilised to produce dispersion relations for complex refractive indices of the materials. Integration of the complex refractive indices into the 4 × 4 matrix formalism allowed computation of transmittance and Faraday rotation of the PCs. The simulation results were found to be in a good agreement with the experimental ones proving such a simulation approach is an excellent means of engineering PCs.</p>

Quantum dots, also known as artificial atoms, are created by tightly confining electrons, and thereby quantizing their energies. They are important components in the emerging fields of nanotechnology where their potential uses vary from dyes to quantum computing qubits. Interesting properties to investigate are e.g. the existence of atom-like shell structures and lifetimes of prepared states. Stability and controllability are important properties in finding applications to quantum dots. The ability to prepare a state and change it in a controlled manner without it loosing coherence is very useful, and in some semiconductor quantum dots, lifetimes of up to several milliseconds have been realized. Here we focus on dots in semiconductor materials and investigate how the confined electrons are effected by their experienced potential. The shape of the dot will effect its properties, and is important when considering a suitable model. Structures elongated in one dimension, often called nanowires, or shaped as rings have more one-dimensional characteristics than completely round or square dots. The two-dimensional dots investigated here are usually modeled as harmonic oscillators, however we will also consider circular well models. The effective potential confining the electrons is investigated both in regard to how elliptical it is, as well as how results differ when using a harmonic oscillator or a circular well potential. By mixing spin states through spin-orbit interaction transitioning between singlet and triplet states becomes possible with spin independent processes such as phonon relaxation. We solve the spin-mixing two-electron problem numerically for some confinement, and calculate the phonon transition rate between the lowest energy singlet and triplet states using Fermi's golden rule. The strength of the spin-orbit interaction is varied both by changing the coupling constants, and by applying an external, tilted, magnetic field. The relation between magnetic field parameters and dot parameters are used to maximize state lifetimes, and to model experimental results. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript.</p>