Die hier vorgelegte Dissertation beschäftigt sich mit Untersuchungen an nanoskopischen Emittern und den Möglichkeiten, deren Fluoreszenzverhalten durch kontrollierte Ankopplung an photonische und plasmonische Strukturen zu beeinflussen. Zum einen werden mit Ytterbium- und Erbium-Ionen kodotierte NaYF4 -Nanokristalle untersucht, die hervorragende Eigenschaften bei der Umwandlung von niederenergetischen Photonen in solche höherer Energie besitzen. Das so entstehende Fluoreszenzlicht einer Ansammlung von Nanokristallen wird auf seine Abhängigkeit von der Anregungsintensität untersucht. Mit der Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (AFM) wird eine Abhängigkeit der spektralen Zusammensetzung des Fluoreszenzlichts einzelner Nanokristalle von deren Größe im Bereich von wenigen bis 50 nm aufgezeigt. Durch gezielte Manipulation mit dem AFM werden ebenfalls einzelne Nanokristalle an Goldnanokügelchen gekoppelt und die Mechanismen der beobachteten plasmonischen Verstärkung der Emission durch zeitaufgelöste Messungen analysiert. Einzelne Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Nanodiamanten werden in einem zweiten Themenkomplex als Einzelphotonenquellen eigesetzt. Diese werden durch den Einsatz einer Nahfeld-Sonde auf Mikrokugel-Resonatoren aufgebracht, wodurch die Emission aufgrund der Ankopplung an die Flüstergalerie-Moden der Kugeln die typischen, scharfen Überhöhungen im Spektrum aufweist. Diese Methode lässt sich nicht nur verwenden, um zwei oder mehr Emitter an die selben Resonanzen einer Kugel zu koppeln. Es ist auch möglich, die Kugeln in einem Vorbereitungsschritt zu charakterisieren, und so kann insbesondere eine spektrale Übereinstimmung zwischen einer der Resonanzen und dem Emitter erreicht werden. Desweiterne wird demonstriert, wie durch die Kopplung an eine plasmonische Antenne aus Goldnanokugeln mittels AFM auch die Effizienz der Einzelphotonenquelle gesteigert werden kann. / The topic of the dissertation presented here is the investigation of nanoscopic emitters and the possibilities to influence their fluorescence behavior by controlled coupling to photonic and plasmonic structures. NaYF4 nanocrystals codoped with ytterbium and erbium are investigated since they provide excellent properties in upconverting of low-energetic photons to photons with higher energy. The fluorescence light that is generated in this process of a small cluster of nanocrystals is investigated on its dependence on the excitation intensity. With the help of an atomic force microscope (AFM) a dependence of the spectral composition of the fluorescence light from single nanocrystals on their size ranging between a few to 50 nm is demonstrated. By selective manipulation with the AFM, individual nanocrystals are coupled to gold nanospheres and the mechanisms of the observed plasmonic amplification of the emission is analyzed with time-resolved measurements. Single nitrogen–vacancy centers in nanodiamonds are employed as single-photon sources in a second subject area. A near-field probe is employed to attach these single quantum systems to microspherical resonators, by which their emission features the typical peaks in the spectrum due to the coupling to the whispering gallery modes of the spheres. This method can not only be applied to couple two or more single-photon emitters to the very same modes of a microsphere, but the resonators themselves can be pre-characterized to match one of the modes with the emitter. Furthermore, it will be demonstrated how the efficiency of a single-photon source can be enhanced by coupling the nitrogen-vacancy center to a plasmonic antenna made of gold nanospheres.

Methoden der optischen Spektroskopie gestatten es, über die Licht-Materie-Wechselwirkung Aussagen über verschiedene Materialsysteme zu treffen. Im Zuge dieser Arbeit wurde das Potential von stationären und transienten optischen Methoden– u.a. der Nahfeldmikroskopie– zur qualitativen und quantitativen Analyse prototypischer Materialsysteme genutzt. Die Kombination von aufeinander abgestimmten organischen und anorganischen Materialien führt auf so genannte Hybridsysteme. Die Vielzahl verschiedener Halbleiter- und Molekülsysteme lässt eine Vielzahl möglicher Hybride zu. Diarylethene (DTE) bilden eine Klasse photochromer molekularer Systeme. In der Arbeit wird der Frage nach den fundamentalen optischen Eigenschaften und dem Schaltverhalten des hier vorliegenden prototypischen DTE nachgegangen. Die zweite untersuchte Klasse von Systemen sind Hybride, welche aus dem anorganischen Halbleiter Zinkoxid (ZnO) und einer molekularen Bedeckung bestehen. Bei den Untersuchungen dieser Hybride wurde der Frage nach den optisch induzierten physikalischen Prozessen an bzw. in der Grenzschicht zwischen der molekularen Bedeckung und dem anorganischen Halbleiter nachgegangen. Im Speziellen wurde ein exzitonischer Oberflächenzustand (SX) beobachtet. Die Anwendung zeitaufgelöster Tieftemperaturnahfeldmikroskopie deckt die Transporteigenschaften der SX entlang der Oberfläche auf. Weiterhin wurden prototypische Laserdioden auf der Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) untersucht. Der Unterschied zwischen den hier untersuchten GaN-Bauelementen liegt in der Materialzusammensetzung der in die Bauelemente integrierten Wellenleiter. Eine Optimierung der Wellenleiter kann zu einer Steigerung der Effizienz der Bauelemente führen. Die Analyse der Bauelemente erfolgte mit Methoden der Nahfeldmikroskopie. Die Experimente decken Unterschiede in der Struktur der Bauelemente auf und erlauben Messungen der in den Wellenleitern geführten Lasermoden. / Methods of optical spectroscopy allow for the investigation of diverse material systems via the interaction between light and matter. Stationary and transient methods of optical spectroscopy were exploited– particularly near-field scanning optical microscopy– for qualitative and quantitative analyses of prototypical material systems. The combination of organic and inorganic materials which are adapted to each other yields a so-called hybrid system. The wide range of different semiconductor materials and molecular systems available results in a multitude of hybrid systems. Diarylethenes (DTE) form one class of photoswitchable molecular systems. This work focuses on the fundamental optical properties and the photochromic switching behavior of a prototypical DTE species. The second class of investigated prototypical sample systems consists of the inorganic semiconductor zinc oxide (ZnO) covered with molecular monolayers. The studies performed on this sample system focus on optically-induced physical processes localized at the interface between the inorganic semiconductor and the organic adlayer. In particular, a surface-excitonic state (SX) was investigated. The application of time-resolved low-temperature near-field scanning optical microscopy enables the monitoring of lateral SX transport along the organic-inorganic interface. The third prototypical sample class considered consists of two gallium nitride (GaN) diode lasers. The difference between the two investigated prototypical diode lasers is the different material composition of the waveguides integrated within the lasers. An optimization of the waveguide material composition may be used to increase the laser efficiency. Near-field scanning optical microscopy was used to analyze the two different diode lasers. The experiments show the structural differences between the distinct laser architectures and revealed the mode profiles of the waveguides within the diode lasers.

An mit Urethan narkotisierten männlichen "Wistar"-Ratten erfolgte die extrazelluläre Einzelableitung der Aktionspotenziale von insgesamt 159 striatalen Neuronen. Mit Hilfe einer Mehrkanalelektrode wurden in die Nähe der Zellen mikroiontophoretisch verschiedene Substanzen appliziert. Die separate Gabe von Serotonin (5-HT), dem 5-HT1A-Rezeptoragonisten 8-OH-DPAT und dem sulfatierten Oktapeptid Cholezystokinin (CCK-8S) führte überwiegend zur Erhöhung der neuronalen Entladungsraten (Wilcoxon-Test signifikant mit p < 0,05), wohingegen der 5-HT2A/2C-Rezeptoragonist DOI nur an wenigen Neuronen einen Effekt induzierte, der hauptsächlich aus einer Reduktion der Entladungsraten bestand. Nach Koapplikation von Serotonin und CCK-8S überwogen ebenfalls aktivierende Effekte (Wt p < 0,05), jedoch wurde die neuronale Responsivität im Vergleich zur Einzelapplikation der beiden Substanzen signifikant reduziert (Chi2 p< 0,01). Da die Serotonin- bzw. 8-OH-DPAT-induzierten Effekte durch die spezifischen 5-HT1A-Rezeptorantagonisten WAY 100635 und S-UH 301 geblockt wurden und eine positive Korrelation der Serotonin- bzw. 8-OH-DPAT-Effekte (p < 0,05) nachgewiesen werden konnte, kann, trotz der entgegengesetzten Ergebnisse früherer Studien, das Vorhandensein von 5-HT1A-Rezeptoren im Neostriatum angenommen werden. Die Grundaktivität der durch Serotonin aktivierten Population war signifikant geringer (p > 0,05) als die der durch Serotonin gehemmten Neurone. Trotzdem zeigte sich keine Abhängigkeit der Responsivität der hier betrachteten Populationen auf die applizierten Serotoninagonisten von der Höhe der neuronalen Ruheentladungsrate. Die meisten der Serotonin-, 8-OH-DPAT-, DOI- bzw. CCK-8S-responsiven Neurone verteilten sich diffus über das gesamte Neostriatum. Nur die durch Serotonin aktivierte Population zeigte eine Präferenz der ventromedialen Bereiche des Neostriatum. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass aufgrund der Ergebnisse der vorliegenden Studie die Existenz von 5-HT1A-Rezeptoren innerhalb des Neostriatum der Ratte in hohem Maße angenommen werden kann. Des Weiteren lässt sich vermuten, dass das Zusammenwirken von Serotonin und CCK-8S einen modulatorischen Einfluss auf die normale neuronale Funktion hat. Ob und in welchem Maße dieses letztgenannte Ergebnis eine therapeutische Relevanz zur Behandlung bestimmter Erkrankungen hat, bei denen Störungen im Neostriatum mit ursächlich sind, bleibt zu erforschen. / In rats anaesthetized with urethane single unit activity of 159 neostriatal neurones was extracellularly recorded and several drugs were microiontophoretically ejected. Separate administration of serotonin (5-HT), 8-OH-DPAT (a 5-HT1A/7-receptor-agonist) and the sulfated octapeptide cholecystokinin (CCK-8S) predominantly induced increases in the neuronal discharge rates (Wilcoxon test significant with p < 0,05), whereas the 5-HT2A/2C-receptor agonist DOI affected only a few neurones and mainly reduced firing. After coadministration of CCK-8S and serotonin activating effects also predominated (Wt p < 0,05), but the neuronal responsiveness was significantly reduced (Chi2 p

Helicopters in forward flight experience complex aerodynamic phenomena to various degrees. In low speed level flight, the vortex wake remains close to the rotor disk and interacts with the rotor blades to give rise to blade vortex interaction phenomena. In high speed flight, compressibility effects dominate leading to the formation of shocks. If the required thrust is high, the combination of high collective pitch and cyclic pitch variations give rise to three-dimensional dynamic stall phenomena. Maneuvers further exacerbate the unsteady airloads and affect rotor and hub design. The strength and durability of the rotor blades and hub components is dependent on accurate estimates of peak-to-peak structural loads. Accurate knowledge of control loads is important for sizing the expensive swash-plate components and assuring long fatigue life. Over the last two decades, computational tools have been developed for modeling rotorcraft aeromechanics. In spite of this progress, loads prediction in unsteady maneuvers which is critical for peak design loads continues to be a challenging task. The primary goal of this research effort is to investigate important physical phenomena that cause severe loads on the rotor in steady flight and in extreme maneuvers. The present work utilizes a hybrid Navier-Stokes/free-wake CFD methodology coupled to a finite element based multi-body dynamics analysis to systematically study steady level and maneuvering flight conditions. Computational results are presented for the UH-60A rotor for a parametric sweep of speed and thrust conditions and correlated with test data at the NFAC Wind Tunnel. Good agreement with test data has been achieved using the current methodology for trim settings and integrated hub loads, torque, and power. Two severe diving turn maneuvers for the UH-60A recorded in the NASA/Army Airloads Flight Tests Database have also been investigated. These maneuvers are characterized by high load factors and high speed flight. The helicopter experiences significant vibration during these maneuvers. Mean and peak-to-peak structural loads and extensive stall phenomena including an advancing side stall phenomena have been captured by the present analyses.

In vorliegender Arbeit werden Aufbau und Charakterisierung des beidseitig antastenden Interferometers vorgestellt, mit dem die absolute Länge prismatischer Körper ohne Anschub an eine Referenzplatte gemessen werden kann, was Verformungen durch Wechselwirkungen von Endmaßen mit angeschobenen Platten verhindern kann. Die Messunsicherheit im Vergleich zum Prototypen konnte aufgrund eines verbesserten Temperaturmesssystems, eines temperaturstabilisierten Vakuumkessels, Optiken mit besserer Ebenheit und Kameras größerer Auflösung deutlich reduziert werden. Das entwickelte Justageverfahren mit Autokollimationsscan und die Korrektur von Wellenfrontaberrationen tragen ebenso zu einer reduzierten Messunsicherheit bei, wie der durch optimale Ausrichtung der keilförmigen Strahlteilerplatten reduzierte Einfluss von Störinterferenzen. Vergleichsmessungen eines Stahl- und eines Filterglasendmaßes mit einseitig antastenden Interferometern zeigten mit Differenzen im Bereich von 0,4 bis 2,6 nm im Rahmen der Unsicherheiten konsistente Probenlängen, was die gute Eignung des beidseitig antastenden Interferometers für absolute Längenmessungen zeigt. Vergleichsmessungen an Silizium ergaben für die beidseitig antastend gemessenen Längen gegenüber im einseitig antastenden Interferometer gemessenen Längen deutlich geringere Werte und eine reproduzierbare Differenz zwischen den mit 532 und 633 nm gemessenen Längen von etwa 4 nm. Diese Effekte sind vermutlich auf die sich beim beidseitig antastenden Verfahren deutlich stärker auswirkenden Material- und Oberflächeneigenschaften zurückzuführen. Das volle Potential des beidseitig antastenden Interferometers entfaltet sich aufgrund des großen Messunsicherheitsbeitrages der Rauheit und des Phasensprungs bei der Reflexion vor allem bei der Messung von Längenänderungen, wie der thermischen Ausdehnung oder der Langzeitstabilität verschiedener Materialien, für die die Effekte der Rauheit und des Phasensprungs eine vernachlässigbare Rolle spielen. / The present thesis adresses the setup and characterization of PTB´s double-ended interferometer, which allows for absolute length measurement of prismatic bodies without the need for wringing to a platen, which prevents deformation caused by their interaction. In comparison with PTB´s prototype, the measurement uncertainty has been substantially reduced due to an improved temperature measurement system, a temperature stabilized vacuum chamber, optics of better flatness and cameras with higher resolution. Further reduction of the measurement uncertainty has been achieved by the developed adjustment procedure including an autocollimation scanning and a correction of the influence of wavefront aberrations. Multiple configurations of orientation of the beamsplitter plate wedges were tested to minimize the influence of parasitic interferences. Comparison measurements against single-ended interferometers on a steel and a filter glas gauge block resulted in deviations of the measured length in the range of 0.4 to 2.6 nm, which is in good agreement with measurement uncertainties. This proves the capability of absolute length measurement of the double-ended interferometer. Comparison measurements on silicon gauge blocks resulted in significantly shorter lengths than those measured in single-ended interferometers with a reproducible length difference of 4 nm for the different used wavelengths of 532 and 633nm. Those effects are presumably based on material and surface characteristics which seem to have a much stronger impact on the measured length when the sample is not wrung to a platen. Due to the large contribution of the roughness and the phase change on reflection to the measurement uncertainty, the full potential of the double ended interferometer will unfold for measurements on lengths changes, like measurement of the thermal expansion or long term stability of different materials, for which the influence of the roughness and phase change on reflection can be neglected.

Das Überschussproton (H+) in wässriger Umgebung, schwer fassbar in seiner Struktur und seinem lokalen Umfeld, wurde seit mehr als zwei Jahrhunderten intensiv studiert und wird oft in Bezug auf zwei limitierende Strukturen diskutiert, dem Eigen-Kation (H9O4+) und dem Zundel-Kation (H5O2+). Die vorherrschende Hydratisierungsstruktur und der ultraschnelle fluktuierende Charakter des Überschussprotons in Lösung bei Raumtemperatur bleiben jedoch diskutiert. Die vorliegende Dissertation klärt eine dominante Hydratisierungsstruktur von Überschussprotonen in Lösung unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen auf. Zundel-Kationen, selektiv präpariert im Lösungsmittel Acetonitril, wurden mittels ultraschneller zweidimensionaler Infrarot (2D-IR) und Zweifarben-Anrege-Abtastspektroskopie untersucht. Intramolekulare Lebensdauern liegen im sub-100 fs Bereich, viel kürzer als in reinem flüssigen Wasser. Das ,,Zundel-Kontinuum" erklärt sich durch Lösungsmittel getriebene Feldfluktuationen, die das Doppelminimumpotential des Protons in H5O2+ auf der Femtosekundenzeitskala modulieren. Zusammen mit stochastische Besetzungen niederfrequenter Moden, führen beide Effekte zu einer starken Frequenzverschiebung der Fundamentalschwingung der Protonbewegung und ihrer Ober- und Kombinationstöne. Der einzigartige Schwingungscharakter der Protontransfermode wurde ausgenutzt, um zeitaufgelöste Daten von Zundel-Kationen in Acetonitril mit denen von Überschussprotonen in flüssigem Wasser zu vergleichen. Die nahezu identische Schwingungsantwort beider Proben in 2D-IR und Zweifarben-Anrege-Abtastexperimenten identifiziert die (H5O2+)-Gruppierung als eine vorherrschende Hydratisierungsstruktur für Protonen in Wasser. / The excess proton (H+) in aqueous environment, elusive in its structure and local surrounding, has been intensively studied for more than two centuries and is often discussed in terms of two limiting structures, the Eigen cation (H9O4+) and the Zundel cation (H5O2+). However, the prevailing solvation structure and ultrafast fluctuating character of the hydrated proton in solution at room temperature is debated. The present thesis elucidates a predominant solvation structure of excess protons in solution under thermal equilibrium conditions. Zundel cations selectively prepared in acetonitrile solution are investigated by ultrafast two-dimensional infrared (2D-IR) and two-color pump-probe spectroscopy. Intramolecular lifetimes are found in the sub-100 fs range, much shorter than for neat liquid water. The "Zundel continuum" is explained by solvent driven field fluctuations that modulate the double minimum proton potential in H5O2+ on the femtosecond time scale. Together with stochastic populations of low frequency modes, both effects lead to strong frequency excursions of the proton transfer fundamental and its overtone and combination tone transitions. Utilizing the distinct vibrational character of the proton transfer mode, time-resolved data of Zundel cations in acetonitrile are compared to those obtained for excess protons in bulk liquid water. The nearly identical vibrational response of both samples found in 2D-IR and two-color pump-probe experiments identifies the H5O2+ moiety as a predominant solvation structure of protons in water.

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine umfassende Untersuchung zu einem speziellen lichtempfindlichen Makromolekül: ein Azobenzol Photoschalter, eingebettet in den Hauptstrang eines synthetischen stäbchenförmigen Polymers. Dazu wurden die Polymere zunächst aus Lösung auf eine Einfachlage Octadecylamin (ODA) aufgebracht, welche auf einer Oberfläche von hochgeordnetem pyrolytischem Graphit (HOPG) lag. Die besondere Eigenschaft der amphiphilen ODAs, sich in Nanolamellen anzuordnen, diente nicht nur der Immobilisierung und Isolierung der stabförmigen Polymere, sondern auch deren Orientierung auf der Oberfläche. Diese Orientierung, insbesondere die Ausrichtung relativ zu den Lamellen, wurde mit einem Modell, basierend auf den hydrophoben W echselwirkungen zwischen den Seitenketten der Polymere und der amphiphilen Unterlage aus ODA, untersucht. Mittels SFM konnte die Kontraktion beziehungsweise Expansion bei Belichtung mit UV- oder sichtbarem Licht untersucht werden. In zeitaufgelösten Messungen wurden lichtinduzierte morphologische Änderungen in Abhängigkeit von der Belichtungszeit der Polymere gemessen. Dies verdeutlichte die lichtinduzierte Bewegung dieser Strukturen innerhalb der Makromoleküle und offenbarte eine kriechende Fortbewegung der Polymere über die Oberfläche. Polymere, die auf Oberflächendefekten nur schwach gebunden waren, änderten ihre Orientierung bei Belichtung zufällig. Daraus schlussfolgere ich, dass die wohldefinierte lokale Umgebung mit Korngrenzen oder Lamellen eine wichtige Rolle als Templat spielt und die Bewegungsrichtung maßgeblich bestimmt. Die entwickelte experimentelle Methode kann verwendet werden, um die Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Polymer zu optimieren, und die anschließende Untersuchung von lichtinduzierten Bewegung der Makromoleküle kann die Entwicklung neuartiger optomechanischer Nanosysteme ermöglichen. / This work presents a comprehensive investigation of one particular photoresponsive macromolecule: Azobenzene photoswitches incorporated into the backbone of synthetic rigid-rod polymers. Firstly, the polymers were deposited from solution onto a monolayer of octadecylamine (ODA) covering the basal plane of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The unique ODA amphiphilic nanorails, self- assembled on HOPG, served not only to immobilize and isolate the polymers, but also to orient them on the surface. The orientations of rod- like polymers on an ODA surface, i.e., predominally perpendicular or parallel with respect to the underlying lamellar surface, were analyzed with a model based on the hydrophobic interaction of the side chains of the polymers with the amphiphilic nanorails of the ODA molecules. Upon the irradiations with UV and visible light, respectively, large light- induced contractions and extensions of the single macromolecules have been visualized by SFM. An SFM’s time-laps study of morphological changes of polymers at different irradiating times also detailed the light-induced movements within the macromolecules and a crawling movement across the surface. For weakly adsorbed polymers on surface defects, those surface-directed folding/unfolding (or contracting/extending) movements exhibited a random change in orientation. Thus, I conclude, that well-defined local environments, such as domain boundaries or lamellae within the ODA monolayer, play important roles in the template that directs the folding and unfolding movements of polymers during irradiation. The developed setup allows to promote the development of optomechanical nanosystems by optimizing the interaction between single macromolecules and ODA surfaces, followed by visualization of light- induced, on-surface motions of single macromolecules.

Diese Arbeit untersucht den Zusammenhang von elektronischer und nukleare Anregung beim Raman-Effekt mit der Methode der zeitaufgelösten harten UV-Spektroskopie. Wir verwenden kohärente stimulierte Raman-Streuung, ein Spezialfall der Standard-Raman-Streuung. Bei dieser regt ein hinreichend kurzer kohärenter Lichtimpuls Schwingungen der Kerne an, bei denen die Kerne messbar ausgelenkt werden, wohingegen die Auslenkungen bei normaler Raman-Streuung, wegen deren inkohärenten spontanen Natur, nicht messbar sind. Wir konnten Auslenkung kleiner als 10^-4 A in Echtzeit durch ihren Effekt auf das harte UV-Spektrum nachweisen. Diese Ergebnisse konnten mit Lithiumborhydrid als Probe und nicht-resonanter naher Infrarotstrahlung als Anrege-und harter UV-Strahlung als Abfrageimpuls erzielt werden. Zum Nachweis dieses Prozesses verwenden wir harte UV-Absorptionsspektroskopie an der Lithium K-Kante von Lithiumborhydrid bei 60 eV. Das Absorptionsspektrum besteht aus einem starken exzitonischen Anteil zu Beginn der Absorption und einem Plateau bei höheren Energien. Bei Anregung durch einen NIR-Impuls beobachteten wir eine oszillatorische Änderung des Absorptionsspektrums mit einer Frequenz von 10 THz, was wir der Modulation der interatomaren Abständen durch kohärente Phononen, und die damit einhergehende Modulation der chemischen Umgebung des absorbierenden Atoms, zuschreiben. Harte UV-Spektroskopie, insbesondere bei niedrigen Energien und nahe der Kante, ist hoch sensitiv auf die chemische Umgebung des jeweiligen absorbierenden Atoms. Unsere Resultate erlauben einen faszinierenden, neuen Einblick in die mikroskopische Natur des Raman-Effekts. Sie verbinden einen direkten Nachweis des antreibenden Mechanismus, der induzierten Polarisation, mit einer direkten Beobachtung des Resultats, die oszillatorische Auslenkung der Kerne. Dabei konnten mit harter UV-Spektroskopie nukleare Auslenkungen in der Größenordnung von 10-4 A mit Subpicosekundenzeitauflösung aufgelöst werden. / This thesis explores the subtle interplay between electronic and nuclear excitation in the Raman effect with time resolved XUV absorption spectroscopy. Coherent stimulated Raman scattering, the type of Raman interaction we induce, is a variant of the well known Raman scattering, where a sufficiently short pulse excites nuclear vibrations coherently, i.e. with actual displacement of the nuclei. In standard Raman scattering, due to its incoherent, spontaneous nature, there is no displacement of nuclei. We were able to observe nuclear displacements as small as 10^-4 in real time by their effect on the XUV absorption spectrum. Specifically we studied non-resonant NIR pump XUV probe absorption spectroscopy on lithium borohydride (LiBH_4). In the XUV absorption experiments in this thesis we concentrate on the Lithium K-edge absorption spectrum around 60 eV which consists of a strong excitonic peak at the onset of absorption and a plateau at higher energies. Upon excitation with a NIR pulse we observe oscillatory changes in the absorption spectrum with a frequency of 10 THz, which we identify as the effect of coherent phonon excitations of an external A_g phonon mode. The coherent oscillation changes the distance between Li^+ anions and BH_4^- cations, which modifies the electronic environment around the Li anion. XUV absorption spectroscopy, especially XANES, is highly sensitive to such changes of the chemical environment around the absorbing atom. We use two different approaches to derive the absolute displacement, which are observed in the experiment. Our results allow for a fascinating new insight into Raman scattering as they connect a direct observation of the driving mechanism, the induced polarization, with a direct observation of the outcome the oscillatory nuclear displacement. With XUV absorption spectroscopy nuclear displacements in the order of 10^-4 A were resolved with sub picosecond accuracy in the time domain.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der theoretischen Beschreibung eines Hybridsystems eines ultrakalten neutralen Atoms und eines einzelnen Ions. Diese Hybrid-Atom-Ion-Systeme verbinden die wichtigsten Vorteile von ultrakalten neutralen Atomen und Ionen. Neutrale Atome sind leicht skalierbar vor allem und können in großen Stückzahlen vorbereitet werden, wahrend gefangene Ionen über längere Zeiten gelagert werden können und leicht kontrollierbar sind. Einige der vorgeschlagenen Aussichten der hybriden Quantensysteme umfassen die sympathische Kühlung von eingefangenen Ionen, die ultrakalte Chemie, das Quantum Informationsverarbeitung, und Atom-Ionen-Quantensimulatoren. Diese Anwendungen erfordern eine äußerst präzise Steuerung und damit eine sehr genaue theoretische Modellierung. Eine neue Methode, die eine vollständige sechsdimensionale Behandlung von zwei Partikeln ermöglicht In räumlich getrennten dreidimensionalen Fangpotentialen wurde entwickelt. Indem man die raumliche Verschiebung zwischen den Einfangpotentialen erlaubt, ist es möglich, die gesteuerte Bewegung eines einzelnen Ions durch ein optisches Gitterpotential zu beschreiben, das mit neutralen Atomen gefüllt ist. Die Wechselwirkung zwischen dem neutralen Atom und dem geladenen Ion wird durch eine realistische Born-Oppenheimer Potentialkurve beschrieben. Eines der hier diskutierten Hybridsysteme ist 7Li2+ Isotop, das mit der neu entwickelten Methode untersucht wird, dabei wurden vermiedene Kreuzungen im Energiespektrum zwischen molekularen Zuständen und den Schwingungszuständen des Fallenpotentials als Funktion des Abstandes zwischen den beide Fallen beobachtet. Diese vermiedenen Kreuzungen bestatigen die bereits vorhergesagten falleninduzierten Resonanzen, die mithilfe der Quantendefekttheorie bestimmt wurden. Ebenfalls werden die erst kürzlich entdeckten inelastischen falleninduzierten Resonanzen in ultrakalten Atomen auch in den Atom-Ion Systemen beobachtet. / This thesis deals with the theoretical description of a hybrid system of an ultracold neutral atom and a single ion. These hybrid atom-ion systems combine the key advantages of ultracold neutral atoms and ions. In particular, neutral atoms are easily scalable and can be prepared in large numbers, while trapped ions can be stored for much longer times and are easy to control. Some of the proposed prospects of the hybrid quantum systems include sympathetic cooling of trapped ions, ultracold chemistry, quantum information processing, and atom-ion quantum simulators. These applications require extremely precise control and thus very accurate theoretical modeling. A new method that allows for a full 6-dimensional treatment of two particles in spatially separated 3-dimensional trapping potentials was developed. By allowing for the spatial displacement between the trapping potentials, it is possible to describe the controlled motion of a single ion through an optical-lattice potential filled with neutral atoms. The interaction between the neutral atom and the ion is modeled using realistic Born-Oppenheimer potential curves from ab initio quantum chemistry calculations. An application of the developed approach to the hybrid atom-ion system reveals avoided crossings between the molecular bound states and the unbound trap states as a function of the separation between the two traps. These avoided crossings correspond to trap-induced resonances. This finding confirms the trap-induced resonances predicted earlier based on quantum-defect-theory calculations. Also, the recently found inelastic confinement-induced resonances in ultracold neutral atoms are demonstrated to be present in atom-ion systems. These resonances arise due to the coupling between the center-of-mass and relative motions. The inelastic confinement-induced resonances could be used in coherent molecular ion formation and in the determination of atom-ion scattering properties like the scattering lengths.

ModClark and Clark’s Unit Hydrograph (Clark’s UH) within HEC-HMS software are distributed and lumped models, respectively. Clark’s UH simulates the transformation and attenuation of excess precipitation, and requires time of concentration (Tc) and Storage Coefficient (R) parameters. ModClark transformation accounts for variations in travel time to catchment outlet from all regions of a catchment, and it additionally requires gridded representation of a catchment and Gridded cell-based input files. Four cases (three from observed rain, and one from radar reflectivity) of three chosen events were specifically chosen and examined for the comparison of simulation results with the same estimated initial parameters apart from different rainfall inputs. The Upper Waimakariri River Catchment was divided into ten subcatchments, and the HEC-HMS basin model parameters were estimated by using the physical/hydrological characteristics. However, ModClark transformation was unavailable because of an output error from converting ASCII to gridded Soil Conservation Service Curve Number (SCS CN) format by the conversion tool – ai2dssgrid.exe. Therefore, Mean Aerial Precipitation (MAP) for each subcatchment was calculated by Thiessen polygon method combined with an overlay analysis for grid-cell-based rainfall estimation from radar with geographic information system (GIS) tools. The automated calibration/optimisation procedure included in HEC-HMS package was applied to the cases which showed a deviation between simulation and observed flows. The purpose is to ‘optimise’ the initial estimates of parameters only in a mathematical-fit manner based on the observed flows from the only discharge gauge at Old Highway Bridge (OHB). The TC values calculated from the five equations vary in a relatively narrow range apart from the one from Bransby-Williams equation. Therefore, the values from all the other four equations were averaged and used as the initial TC input. The simulation results showed that there was a notable difference between observed and simulated hydrographs for some case studies even though TC, R, CN, and lag time were calibrated/optimised separately. Also, radar estimated rainfall and grid-based data storage system (DSS) need more investigations.