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In this dissertation, I examine the optical linear polarization of quasi-stellar objects (QSOs) and BL Lacertae objects. I present extensive polarimetric observations of a large sample of QSOs, systematically analyze the correlations between polarization and other properties of QSOs, compare t

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Over one million Americans are afflicted with skin cancer each year. Even though skin cancer has a 95% cure rate, approximately 10,000 people die in the United States each year of this disease. The current ABCDE(F) detection method is not sensitive enough to detect skin cancer in its early stages and requires a biopsy for any suspicious lesions. A lot of unnecessary biopsies, which are painful and costly to the patient, are taken. Therefore, a noninvasive technique is needed that can accurately detect the presence of skin cancer. In this thesis, an optical approach will be presented that has potential to be a noninvasive skin cancer detection technique. Several morphological and biochemical changes occur as tissue becomes cancerous, and therefore the optical properties of the tissue can be used to detect skin cancer. A Mueller matrix imaging system has been developed by our group that measures the 16 or 36-element Mueller matrix, which completely describes the optical properties of the tissue sample. The system is automated and can collect the Mueller matrix in less than one minute. This system will be used to image Sinclair swine, and data analysis techniques will be employed to determine if the system can distinguish between cancerous and noncancerous tissue. System software improvements will also be made, and a new calibration technique will be presented.

A tunable polarization modulator based on the periodic metal strips embedded in a polymer waveguide is presented. The periodic metallic structure is analyzed by Finite Element simulation (COMSOL). The calculation results show that the giant birefringence is formed by the selective cut-off of TE polarization over TM polarization, which makes it possible to design an efficient polarization modulator with a short conversion length. The metallic strips are made by using four-layer lift-off fabrication technology. The transmission and group indices of TE and TM modes are measured. However, it is observed that TE and TM modes cut off at same time, which does not agree with our predictions. The reason for failure is that the change in refractive indices is different from what we expected, which makes the device perform in opposite way. Finally, further suggestions are provided to modify the design so that the device can achieve its expected function.

A tunable polarization modulator based on the periodic metal strips embedded in a polymer waveguide is presented. The periodic metallic structure is analyzed by Finite Element simulation (COMSOL). The calculation results show that the giant birefringence is formed by the selective cut-off of TE polarization over TM polarization, which makes it possible to design an efficient polarization modulator with a short conversion length. The metallic strips are made by using four-layer lift-off fabrication technology. The transmission and group indices of TE and TM modes are measured. However, it is observed that TE and TM modes cut off at same time, which does not agree with our predictions. The reason for failure is that the change in refractive indices is different from what we expected, which makes the device perform in opposite way. Finally, further suggestions are provided to modify the design so that the device can achieve its expected function.

A nanoscale Aharonov-Bohm (AB) ring with a quantum dot (QD) embedded in each arm is investigated analytically to provide electron transmission characteristics. A parallel magnetic field provides Zeeman splitting of the QD energy levels. Combined Zeeman energy level splitting and AB-effects occur with a perpendicular field. In our device, the AB-ring interferometer, Zeeman splitting of the QD energy levels creates regions of parameter space in which the electron transmission is highly spin-polarized. In addition to Zeeman splitting caused by a parallel magnetic field, combined Zeeman energy level splitting and AB-interference effects occur with a perpendicular field. The weighted spin-polarization function is calculated and presented as a function of magnetic field and electron energy. Due to a unique parameter regime in which the AB-oscillations show extreme sharpening [1], the electron transmission can be tuned to produce spin-polarized currents which can be switched and controlled by small changes of external fields. / Introduction -- AB-oscillations and resonances in a double quantum dot ring -- Results for combined Zeeman and AB effects -- Spin-polarization. / Department of Physics and Astronomy

Das Thema dieser Arbeit ist die Sensitivitätserhöhung der Kernspinmagnetresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) für die Anwendung an biologischen Systemen durch dynamische Kernspinpolarisation (DNP). Dementsprechend wurden die experimentellen Bedingungen möglichst ähnlich zu einer physiologischen Umgebung in Lösung gewählt. Unter diesen Voraussetzungen ist der Overhauser-Effekt der zentrale Mechanismus für DNP. Dieser ist von der relativen Diffusion zwischen den Kernspins des Zielmoleküls und dem polarisierenden Molekül, welchesein ungepaartes Elektron aufweist, abhängig. Als experimenteller Ansatz für diese Arbeit wurde ein Shuttle-DNP-Spektrometer mit Proben im flüssigen Zustand ausgewählt. Hierbei wurden die Kernspins bei einem Magnetfeld von 0,34 T polarisiert und für eine hoch auflösende NMR-Detektion in ein Magnetfeld von 14,09 T transferiert. Mehrere technische Anpassungen, welche zu einer Erhöhung der Stabilität und Reproduzierbarkeit der Messungen führten, wurden sukzessiv implementiert. Für die Signale der Protonen von L-Tryptophan wurde im Hochfeld eine DNP-Verstärkung εhf von bis zu -2,4 (H^η2) gemessen. Darauf aufbauend wurde ein allgemeiner Verstärkungsfaktor εglobal eingeführt. Dieser beinhaltete sowohl die Vorteile des Shuttle-DNP-Spektrometers, wie beispielsweise die schnellere Aufnahmerate der DNP-Experimente als auch die Nachteile, wie etwa die Linienverbreiterung der Signale durch die Gegenwart des polarisierenden Radikals. Anschließend wurde dieser Faktor schrittweise auf eindimensionale Messungen angewandt und an diese angepasst. Hierfür wurden die Aufbaurate der Polarisation und die Aufnahmezeit der Messungen mit DNP und Boltzmann-Polarisation optimiert, um das maximale Signal-zu-Rauschen-Verhältnis pro Messzeit zu erhalten. Diese Parameter basieren auf T1 bzw. T2∗. Das Ergebnis dieser Schritte war ein angewandter, allgemeiner Verstärkungsfaktor εapp von -4.0 für Hδ1 von L-Tryptophan. Des Weiteren wurden die Kernspineigenschaften von Protonen für DNP, wie z.B.die Relaxationsraten, gemessen und miteinander verglichen. Der daraus abgeleitete Kopplungsfaktor implizierte, dass die intermolekulare, dipolare Wechselwirkung zwischen den Kernspins des Zielmoleküls und dem Elektron des polarisierenden Radikals von der räumlichen Zugänglichkeit der Kernspins beeinflusst wurde. Zudem wurde gezeigt, dass diese Wechselwirkung am besten durch ein Model basierend auf translatorischer Diffusion beschrieben werden konnte. Mit diesem wurde der Abstand der dichtesten Annährung zwischen den Kernspins und dem ungepaartem Elektron bestimmt. Diese Abstände reichen entsprechend der Zugänglichkeit des jeweiligen Protons von 3 bis 5 Å. Darauf aufbauend wurden die DNP-Verstärkungen für Kohlenstoff gemessen. Für deuteriertes L-Tryptophan-d8,15N2,13C11 wurden Verstärkungen zwischen -0,3 und -2,5 erzielt. Durch weitere Berechnungen wurde gezeigt, dass diese Verstärkungen mit den zuvor berechneten Abständen der dichtesten Annäherung der Protonen übereinstimmten und dadurch den Ansatz des Models der translatorischen Diffusion untermauerten. In weiteren Messungen an protoniertem L-Tryptophan-15N2,13C11 wurde der Drei-Spin-Effekt erstmalig bei einem gelösten Molekül beobachtet. Dieser Effekt basierte auf der dipolaren Wechselwirkung zwischen den Spins der Protonen, Kohlenstoffkerne und Radikal-Elektronen. Er verursachte positive Signalverstärkungen von bis zu 2,3 für alle Kohlenstoffe außer dem Carbonyl-Kohlenstoff, welcher eine Signalverstärkung von -2,5 aufwies. Diese Ergebnisse waren in Übereinstimmung mit einem erweiterten Kopplungsfaktor, der die intramolekulare Wechselwirkung zwischen Kohlenstoff und Proton neben der zwischen Kohlenstoff und Elektron berücksichtigte. In einem abschließenden Schritt wurden DNP-Experimente an einem Protein (Ubiquitin-U-15N,U-13C) durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden zweidimensionale Shuttle-DNP-1H-13C-HSQC-Spektren aufgenommen. Zum ersten Mal konnte ein DNP-Transfer zu der Oberfläche eines Proteins in Lösung nachgewiesen werden.