Thesis (M.A.)--University of North Texas, May, 2009. / Title from title page display. Includes bibliographical references.

Thesis (M.S.)--Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: protein-DNA crosslinking; UV laser. Includes bibliographical references (p. 73-77).

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Urolithias, calculus formation in the urinary system, affects 5 – 10% of the population and is a painful and recurrent medical condition. A common approach in the treatment of calculi is the use of laser radiation, a procedure known as laser lithotripsy, however, the technique has not yet been fully optimised. This research examines the experimental parameters relevant to the interactions of the variable microsecond pulsed holmium laser (λ = 2.12 μm, τp = 120 – 800 μs, I ~ 3 MW cm-2) and the Q-switched neodymium laser (λ = 1064 nm, τp = 6 ns, I ~ 90 GW cm-2) with calculi. The laser-calculus interaction was investigated from two perspectives: actions that lead to calculus fragmentation through the formation of shockwave and plasma, and the prospect of material analysis of calculi by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) to reveal elemental composition. This work is expected to contribute to improved scientific understanding and development of laser lithotripsy. The results support the general model of thermal and plasma processes leading to vaporization and pressure pulses. Nd:YAG laser interaction processes were found to be plasma-mediated and shockwave pressure (~ 12 MPa) dependent on plasma and strongly influenced by metal ions. Ho:YAG laser-induced shockwaves (~ 50 MPa) were found to be due to direct vaporisation of water and dependent on laser pulse duration. The characteristics of the pressure pulse waveforms were found to be different, and the efficiency and repeatability of shockwave and the nature of the dependencies for the lasers suggest different bubble dynamics. For the Nd:YAG laser, LIBS has been demonstrated as a potential tool for in situ analysis of calculus composition and has been used for the identification of major and trace quantities of calcium, magnesium, sodium, potassium, strontium, chromium, iron, copper, lead and other elements.

This thesis presents results from two strands of work towards realizing a free-electron laser (FEL) driven by electron bunches generated by a laser-wakefield accelerator (LWFA). The first strand focuses on selecting operating parameters for such a light source, on the basis of currently achievable bunch parameters as well as near-term projections. The viability of LWFA-driven incoherent undulator sources producing nanojoule-level pulses of femtosecond duration at wavelengths of 5 nm and 0.5 nm is demonstrated. A study on the prospective operation of an FEL at 32 nm is carried out, on the basis of scaling laws and full 3-D time-dependent simulations. A working point is selected, based on realistic bunch parameters. At that working point saturation is expected to occur within a length of 1.6 m with peak power at the 0.1 GW-level. This level, as well as the stability of the amplification process, can be improved significantly by seeding the FEL with an external radiation source. In the context of FEL seeding, we study the ability of conventional simulation codes to correctly handle seeds from high-harmonic generation (HHG) sources, which have a broad bandwidth and temporal structure on the attosecond scale. Namely, they violate the slowly-varying envelope approximation (SVEA) that underpins the governing equations in conventional codes. For this purpose we develop a 1-D simulation code that works outside the SVEA. We carry out a set of benchmarks that lead us to conclude that conventional codes are adequately capable of simulating seeding with broadband radiation, which is in line with an analytical treatment of the interaction. The second strand of work is experimental, and focuses on on the use of coherent transition radiation (CTR) as an electron bunch diagnostic. The thesis presents results from two experimental campaigns at the MPI für Quantenoptik in Garching, Germany. We present the first set of single-shot measurements of CTR over a continuous wavelength range from 420 nm to 7 μm. Data over such a broad spectral range allows for the first reconstruction of the longitudinal profiles of electron bunches from a laser-wakefield accelerator, indicating full-width at half-maximum bunch lengths around 1.4 μm (4.7 fs), corresponding to peak currents of several kiloampères. The bunch profiles are reconstructed through the application of phase reconstruction algorithms that were initially developed for studying x-ray diffraction data, and are adapted here for the first time to the analysis of CTR data. The measurements allow for an analysis of acceleration dynamics, and suggest that upon depletion of the driving laser the accelerated bunch can itself drive a wake in which electrons are injected. High levels of coherence at optical wavelengths indicate the presence of an interaction between the bunch and the driving laser pulse.

Les ondes gravitationnelles sont des solutions aux équations gourvenant la dynamique de la gravitation prédite en 1918 à partir de la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. Elles représentent la propagation d'une oscillation de l'espace-temps induisant d'infimes variations de distance sur leur passage entre des masses libres. Depuis deux décennies, un réseau d'interféromètres de Michelson kilométriques a été développé et mis en opération à travers le monde afin de prouver l'existence des ondes gravitationnelles en détectant leur passage sur Terre. Leur signature est recherchée dans un canal de détection étalonné, obtenu à partir des mesures fournies par le détecteur et reconstruisant le signal absolu d'une onde gravitationnelle le traversant. La vérification de la procédure est nécessaire pour déceler d'éventuelles erreurs systématiques d'étalonnage biaisant l'exploitation du canal par les analyses des données. Depuis plusieurs années, une nouvelle technique d'étalonnage est développée à cette fin dans les différents interféromètres du réseau et repose sur la pression de radiation d'un laser modulé en puissance afin d'induire un déplacement étalonné de l'un de ses miroirs. Le dispositif, appelé étalonneur laser, permet de reproduire le passage d'une onde gravitationnelle connue et d'en vérifier la reconstruction dans le canal de détection. Le travail de cette thèse a concerné la mise en \oe uvre de cette technique pour l'interféromètre franco-italien Virgo afin de vérifier la reconstruction de son signal d'onde gravitationnelle. Le principe de fonctionnement de l'étalonneur laser installé sur le site est d'abord détaillé et son étalonnage est ensuite décrit avec les campagnes de mesures réalisées. Enfin, les vérifications faites durant les deux périodes de prises de données de Virgo qui se sont déroulées entre 2010 et 2011 seront présentées. Les résultats ont permis de valider la reconstruction du signal d'onde gravitationnelle de Virgo et ses incertitudes confirmant leur impact négligeable sur l'analyse des données.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une étude systématique des propriétés physico-chimiques de polyphosphates à l'argent permettant d'avancer sur de nouvelles voies pour les dispositifs tels que l'éclairage, les lasers accordables dans le visible, la radiophotoluminescence. L'objectif de ce travail vise la compréhension des mécanismes de luminescence de l'ion Ag+ dans les composés Na_1-xAg_xLn(PO₃)₄ (Ln = La et Y) dont la structure a été parfaitement déterminée. La luminescence des monocristaux provient des ions Ag⁺, dans des sites isolés et proches de lacunes positives (Ag²⁺) résultant de la photosensibilité aux UV pour les cristaux au lanthane. La luminescence des verres Na_1-xAg_xLa(PO₃)₄ (seuls vitrifiables) a été élucidée grâce à une étude après irradiation et à celle des verres Na_2-xAg_xZnP₂O₇. Elle est due aussi aux ions Ag⁺ dans des sites isolés.

Les ondes gravitationnelles sont des solutions aux équations gourvenant la dynamique de la gravitation prédite en 1918 à partir de la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. Elles représentent la propagation d'une oscillation de l'espace-temps induisant d'infimes variations de distance sur leur passage entre des masses libres. Depuis deux décennies, un réseau d'interféromètres de Michelson kilométriques a été développé et mis en opération à travers le monde afin de prouver l'existence des ondes gravitationnelles en détectant leur passage sur Terre. Leur signature est recherchée dans un canal de détection étalonné, obtenu à partir des mesures fournies par le détecteur et reconstruisant le signal absolu d'une onde gravitationnelle le traversant. La vérification de la procédure est nécessaire pour déceler d'éventuelles erreurs systématiques d'étalonnage biaisant l'exploitation du canal par les analyses des données. Depuis plusieurs années, une nouvelle technique d'étalonnage est développée à cette fin dans les différents interféromètres du réseau et repose sur la pression de radiation d'un laser modulé en puissance afin d'induire un déplacement étalonné de l'un de ses miroirs. Le dispositif, appelé étalonneur laser, permet de reproduire le passage d'une onde gravitationnelle connue et d'en vérifier la reconstruction dans le canal de détection. Le travail de cette thèse a concerné la mise en \oe uvre de cette technique pour l'interféromètre franco-italien Virgo afin de vérifier la reconstruction de son signal d'onde gravitationnelle. Le principe de fonctionnement de l'étalonneur laser installé sur le site est d'abord détaillé et son étalonnage est ensuite décrit avec les campagnes de mesures réalisées. Enfin, les vérifications faites durant les deux périodes de prises de données de Virgo qui se sont déroulées entre 2010 et 2011 seront présentées. Les résultats ont permis de valider la reconstruction du signal d'onde gravitationnelle de Virgo et ses incertitudes confirmant leur impact négligeable sur l'analyse des données. / Gravitational waves are solutions to equations governing the dynamics of gravitation predicted from Einstein's theory of General Relativity in 1918. Gravitational waves describe ripples of space-time producing weak variations of distance between free masses along their propagation. Over the past two decades, an international array of ground-based, kilometer-scale Michelson interferometers has been developed to detect gravitational waves going through Earth and is now in operation. The gravitational wave signature is sought in a calibrated stream obtained from detector output measurements and giving the absolute signal of a gravitational waves going through it. A check of the procedure is required to avoid potential systematic calibration errors leading to an incorrect data stream and bias in its use by data analysis. Since severals years, a new calibration technique is developed for that purpose for each network's interferometer and uses the radiation pressure of a power-modulated laser to induce calibrated displacements of their mirrors. The associated setup, called Photon Calibrator, allows to mimic a gravitational waves passing the detector in order to verify its reconstruction in the detection channel. The scope of this thesis is the implementation of this technique for the French-Italian interferometer Virgo to check its gravitational wave signal reconstruction procedure. The operating principle of the setup installed is first described and its calibration is then detailed with measurement campaigns performed. Finally verifications performed for the two Virgo Science runs performed between 2010 and 2011 are presented. The conclusion of this study allowed to the validate the Virgo gravitational wave signal reconstruction with its uncertainties and has confirmed their negligeable impact on data analysis.

Title: The spectroscopy study of focused short-wavelength laser-matter interactions Author: Tomas Burian Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: Ing. Libor Juha, CSc., Department of Radiation and Chemical Physics, Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague Abstract: This thesis is focused on processes occurring during and immediately after an interaction of intense short-wavelength laser pulses with matter. Extreme states of matter (warm dense matter - WDM and hot dense matter - HDM), induced by EUV/SXR/X-ray lasers of two kinds, i.e., free-electron lasers (FEL) and plasma-based lasers, were investigated by emission spectroscopy over various spectral ranges and mass spectroscopic techniques. Absorption/transmission experiments revealed an effect of saturable absorption of soft X-ray laser radiation in aluminium WDM. Then, an ionisation potential depression (IPD) in dense plasmas was investigated by means of X-ray emission spectroscopy. Results obtained with the X-ray FEL-produced plasma exhibit very good agreement with computer simulations considering the Ecker-Kröll model. Analysis of optical emission spectra (OES) supports the key role played by fast recombination processes in the ablation plume created by focused short-wavelength laser beams on the solid target...

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une étude systématique des propriétés physico-chimiques de polyphosphates à l’argent permettant d’avancer sur de nouvelles voies pour les dispositifs tels que l’éclairage, les lasers accordables dans le visible, la radiophotoluminescence. L'objectif de ce travail vise la compréhension des mécanismes de luminescence de l’ion Ag+ dans les composés Na1-xAgxLn(PO3)4 (Ln = La et Y) dont la structure a été parfaitement déterminée. La luminescence des monocristaux provient des ions Ag+, dans des sites isolés et proches de lacunes positives (Ag2+) résultant de la photosensibilité aux UV pour les cristaux au lanthane. La luminescence des verres Na1-xAgxLa(PO3)4 (seuls vitrifiables) a été élucidée grâce à une étude après irradiation et à celle des verres Na2-xAgxZnP2O7. Elle est due aussi aux ions Ag+ dans des sites isolés. / This work focuses on keeping with the general pattern of investigations of physical-chemical properties of silver-polyphosphates to find new ways for devices such as lighting, visible range laser applications and radiophotoluminescence. The goal of this study aims at understanding the processes of Ag+ luminescence in Na1-xAgxLn(PO3)4 (Ln = La et Y) compounds which structure has been completely determinated. The luminescence of the single crystals is induced by Ag+ ions in isolated sites and close to hole centers (Ag2+) resulting in UV photosensitivity for the lanthanum crystals. The photoluminescence of the Na1-xAgxLa(PO3)4 glasses (glass-forming only) has been resolved owing to UV irradiation investigations and comparison with the luminescence of Na2-xAgxZnP2O7 glass. Both are also due to Ag+ ions in isolated sites.