Bibliographische Beschreibung und Referat. Kochan, Natalie. „Charakterisierung von Plasmen, erzeugt durch Fokussierung von 100 ps Laserpulsen auf Festkörperoberflächen“. Technische Universität Chemnitz, Institut für Physik, Dissertation, 2002 (104 Seiten; 48 Abbildungen; 4 Tabellen; 102 Literaturzitate). In der vorliegenden Arbeit wurden Plasmen, die durch Laserbestrahlung erzeugt wurden, untersucht. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Bestimmung der Elektronendichte des Plasmas und der Plasmatemperatur, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Überwiegend erfolgten die Untersuchungen unter Normaldruck an Luft. Zunächst werden einige Grundlagen der Wechselwirkung von Laserstrahlung mit einem Plasma dargestellt, die für Bearbeitung des Themas wesentlich sind. Anschließend werden experimentelle Aufbauten und Auswertungsmethoden beschrieben. Zur Plasmadiagnostik wurden verschiedene Messmethoden eingesetzt, die eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung gestatten: Absorptionsphotographie, Interferometrie, Messungen der Faraday-Drehung und Röntgenstreakmessungen. Im Hauptteil der Arbeit wurde zunächst der Einfluss der Leistungsdichte der Laserstrahlung auf die im laserinduzierten Plasma ablaufenden Prozesse untersucht. Die Untersuchungen erfolgten sowohl bei atmosphärischem Druck als auch im Vakuum. Die Leistungsdichte der Laserstrahlung wurde dabei von 10^9 bis 10^14 W/cm2 variiert. Es wurde dabei gezeigt, dass die Anwesenheit einer Gasatmosphäre die Expansion des Plasmas behindert und damit zu einer höheren Plasmadichte als in Hochvakuum führt. Es wurde festgestellt, dass es bei einer Leistungsdichte von ca. 5,0×10^9 W/cm2 eine stark nichtlineare Abhängigkeit sowohl der Ausbreitungsgeschwindigkeit als auch der mittleren Elektronendichte in der Schockwelle von der Leistungsdichte gibt. Ab einer Leistungsdichte von ~ 10^13 W/cm2 wurde bei Bestrahlung eines Ag-Targets in Luft ein schmaler Plasmajet mit einer hohen Elektronendichte von mehr als 10^20 cm-3 und einer Länge von etwa 300 µm beobachtet. Bei noch höheren Leistungsdichten von ca. 10^14 W/cm2 treten mehrere Filamente in unterschiedlichen Entwicklungsstadien gleichzeitig auf. Es wurde außerdem das Phänomen der Plasmaabtrennung (plasma bullets) nachgewiesen. Im weiteren wurden Plasmaparameter laserinduzierter Plasmen mit solchen laserinduzierter Entladungen in Luft verglichen. Es ergab sich, dass in beiden Fällen Filamente mit sehr ähnlichen Plasmaparametern entstehen können. Die Feldstärke der sich im laserinduzierten Plasma spontan bildenden Magnetfelder wurde durch Faraday-Messungen ermittelt. Die Stärke (4 – 7 MG) und die Orientierung der Felder weisen darauf hin, dass diese Felder durch Resonanzabsorption zustande kommen. Die Plasmatemperaturen wurden mit Hilfe optischer Verfahren (in Luft) bzw. Röntgenstreakmessungen (unter Vakuum) ermittelt. Dabei wurde zeitlich aufgelöst der Verlauf der Temperaturen von Plasmen gemessen, welche durch den Beschuss von Targets unterschiedlichen Materials (Al und Cu) im Vakuum erzeugt wurden.

Two groups of magnetic oxides were investigated in this thesis. Thin films of La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) deposited by pulsed laser deposition (PLD) on SrTiO3 (STO) substrates were characterized by polar and longitudinal magneto-optical (MO) Kerr spectroscopy. Experimental results were compared to theoretical calculations based on the transfer matrix formalism. A very good agreement between experimental and theoretical data revealed high magnetic ordering down to 5 nm of film thickness as well as a mechanism of suppression of double exchange interaction near the LSMO/STO interface. Magnetically doped Ce1-xCoxO2-δ films deposited by PLD on MgO (x = 0.05 and 0.10) and oxidized Si (x = 0.20) substrates were studied by combination of spectroscopic ellipsometry and MO Faraday and Kerr spectroscopy. Both diagonal and off-diagonal permittivity tensor components were obtained and verified by theoretical calculations confronted with experimental data. Diagonal spectra revealed two optical transitions from oxygen to cerium states. Off-diagonal spectra revealed two paramagnetic transitions involving cobalt ions. An essential influence of cobalt doping on the resulting ferromagnetic properties of CeO2 was observed.

<div>The response time of magnetization switching in current spintronic devices is limited to nanosecond timescales due to the precessional motion of the magnetization during reversal. To overcome this limit two routes of investigation leading to novel recording and logic devices are considered in this thesis: 1) Magnetic tunnel junction structures where the recording and reference layers are replaced by synthetic ferrimagnets and switching is induced by spin transfer torque and 2) Hybrid magneto-photonic devices where switching is induced by plasmon-enhanced all-optical switching. To circumvent limitations of the materials and magnetic properties of CoFeB, the most utilized alloy in spintronics, hcp-CoCrPt, a material that exhibits superior perpendicular anisotropy and thermal stability, is chosen as the ferromagnetic electrode in this work. Whereas actual devices based on the two schemes aforementioned are still in the process of being fabricated, through collaborative work with our international collaborators, this thesis describes fundamental magnetic and structural characterization needed for the realization of said ultrafast switching devices. The magnetic switching behavior of CoCrPt-Ru-CoCrPt synthetic ferrimagnets with perpendicular magnetic anisotropy have been studied in the temperature range from 2K to 300K. It was found that two sets of magnetic transitions occur in the CoCrPt-Ru-CoCrPt ferrimagnet systems studied. The first set exhibits three magnetization states in the 50K – 370K range, whereas the second involves only two states in the 2K and 50K range. The magnetic hysteresis curves of the synthetic ferrimagnet are assessed using an energy diagram technique which accurately describes the competition between interlayer exchange coupling energy, Zeeman energy, and anisotropy energy in the system. This energy diagram analysis is then used to predict the changes in the magnetic hysteresis curves of the synthetic ferrimagnet from 200K to 370K. This represents the potential operation temperature extrema that a synthetic ferrimagnet could be expected to operate at, were it to be utilized as a free layer in a memory or sensor spintronic device in the device configuration described in this dissertation.</div><div>Circularly polarized fs laser pulses generate large opto-magnetic fields in magnetic materials, through the inverse Faraday effect. These fields are attributed to be largely responsible for achieving ultrafast all-optical magnetization switching (AOS). All experimental demonstrations of AOS thus far have been realized on thin films over micron-sized irradiated regions. To achieve magnetization switching speeds in the ps and potentially fs time regimes, this work proposes the use of surface plasmon resonances at the interface of hybrid magneto-photonic heterostructures. In addition to the ability of plasmon resonances to confine light in the nm scale, the resonant excitation can largely enhance induced opto-magnetic fields in perpendicular magnetic anisotropy materials. This requires strong spin-photon coupling between the plasmonic and the magnetic materials, which thus requires the minimization of seed layers used for growth of the magnetic layer. This work reports on the development of ultrathin (1 nm thick) interlayers to control the growth orientation of hcp-Co alloys grown on the refractory plasmonic material, TiN, to align the magnetic axis out-of-plane. CoCrPtTa seed layers down to 1 nm were developed to seed the growth of CoCrPt, and the dependence of the quality of the CoCrPt is investigated as Ta composition is varied in the seed layer. Whereas bismuth iron garnet (BIG) meets the magneto-optical requirements for a hybrid magneto-photonic material, its magnetic and structural properties are highly sensitive to the Bi:Fe ratio and must be grown epitaxially on single crystalline substrates. Therefore, in this work we have investigated alternative materials that offer superior magnetic properties and are amenable to growth on inexpensive substrates. Opto-magnetic field enhancements up to 2.6x in Co-ferrite magneto-photonic heterostructures have been obtained via finite element analysis modelling. Alternative materials for plasmon-enhanced all-optical switching such as Co/Pd multilayers have also been investigated. Successful growth of Co/Pd multilayers on TiN using ultrathin Ti interlayers has been achieved. </div><div><br></div>

No description available.

A retarding potential analyzer (RPA) is being developed at the Swedish Institute of Space Physics to build expertise in designing plasma particle instruments measuring currents. This thesis presents the results of the project. First, a literature survey of RPAs was conducted to support the IRF’s working group in critical design choices. Subsequently, a 3D CAD model was designed by the mechanical engineering department. This model was used to perform ion optical simulations to investigate the behavior of the instrument. The simulations showed that potentials at the walls drastically affect the trajectories of charged particles in the instrument. Consequently, the instrument’s response diverges from simple analytical models. An effort was made to adapt these models to better describe the observed response. The instrument was also manufactured from the computeraided design (CAD) model by the institute’s own workshop. After fit-checking and thorough cleaning, the parts were assembled in a clean environment. Subsequently, the instrument was tested with an ion beam in the IRF’s vacuum chamber. The instrument exhibited an extremely low noise level and was successfully used to measure the ion beam. The measurements confirmed the instrument was performing as expected and allowed for an energy analysis of the ion beam. Furthermore, the high temporal resolution of the instrument enabled a closer inspection of fluctuations in the beam current. Overall, the project showed the IRF’s capability to rapidly design, manufacture, integrate, and test plasma instruments. It serves as the basis for future iterations of the instrument, optimizations, advanced simulations, and the development of an ion drift meter to complement the measurements by enabling directional observations.

Un des objectifs du Femtomagnetisme est de contrôler l’aimantation des matériaux avec des impulsions laser femtoseconde. Il a été démontré qu’une réponse magnéto-optique (MO) cohérente a lieu avant la thermalisation des populations de spins dans une configuration pompe-sonde MOKE. Elle résulte du couplage cohérent spin-photon dû à l’interaction spin-orbite. Une description simplifiée de cet effet a été faite en tenant compte d’un système à huit niveaux couplés au champ laser. La cohérence MO est définie par le temps de déphasage dépendent du champ T2MO. Dans ce travail, il est montré que la réponse MO cohérente d’un grenat dopé au bismuth peut être mesurée directement avec différentes configurations de mélange à quatre ondes MO. L’importance de connaître la phase spectrale de l’impulsion pour obtenir T2MO a été étudié. Avec des impulsions de 10fs dans le proche infra-rouge, une mesure de T2MO donne (2.8+/-1)fs, c. à d., du même ordre de grandeur que le temps de déphasage des charges. / One of the goals of Femtomagnetism is to manipulate the magnetization of materials using femtosecond optical pulses. It has been shown in ferromagnetic films that a magneto-optical (MO) coherent response takes place before the thermalization of the spins populations in a pump and probe MOKE experiment. It results from the coherent spin-photon coupling mediated by the spin-orbit interaction. A simplified description of this effect has been made by considering an eight-level system coupled with the laser field. The MO coherence can be defined by the magnetic field dependent dephasing time T2MO. In the present work, it is shown that the coherent MO response of a bismuth-doped garnet can be directly measured in different degenerated MO four-wave mixing configurations. The importance of well-knowing the spectral phase of the pulse to measure T2MO was studied. Using 10fs near infra-red pulses, T2MO was shown to be (2.8+/-1)fs that is of the same order of the charges dephasing time.

In dieser Arbeit untersuchen wir mehrere Anwendungen von photonischen und plasmonischen Nanostrukturen unter Verwendung zweier verschiedener numerischer Methoden: die Fourier-Moden-Methode (FMM) und ein unstetiges Galerkin-Zeitraumverfahren (discontinuous Galerkin time-domain method, DGTD method). Die Methoden werden für vier verschiedene Anwendungen eingesetzt, die alle eine Materialmodellerweiterung in der Implementierung der Methoden erfordern. Diese Anwendungen beinhalten die Untersuchung von dünnen, freistehenden, periodisch perforierten Goldfilmen. Wir charakterisieren die auftretenden Oberflächenplasmonenpolaritonen durch die Berechnung von Transmissions- und Elektronenenergieverlustspektren, die mit experimentellen Messungen verglichen werden. Dazu stellen wir eine Erweiterung der DGTD-Methode zur Verfügung, die sowohl absorbierende, impedanzangepasste Randschichten als auch Anregung mit geglätteter Ladungsverteilung für materialdurchdringende Elektronenstrahlen beinhaltet. Darüber hinaus wird eine Erweiterung auf nicht-dispersive anisotrope Materialien für eine Formoptimierung einer volldielektrischen magneto-optischen Metaoberfläche verwendet. Diese Optimierung ermöglicht eine verstärkte Faraday-Rotation zusammen mit einer hohen Transmission. Zusätzlich untersuchen wir abstimmbare hyperbolische Metamaterialresonatoren im nahen Infrarot mit Hilfe der FMM. Wir berechnen deren Resonanzen und vergleichen sie mit dem Experiment. Zum Schluss wird die Implementierung eines nichtlinearen Vier-Niveau-System-Materialmodells in der DGTD-Methode verwendet, um die Laserschwellen eines Mikroresonators mit Bragg-Spiegeln zu berechnen. Bei Einführung eines Silbergitters mit variablen Spaltgrößen wird eine defektinduzierte Kontrolle der Laserschwellen ermöglicht. Die Berechnung der vollständigen, zeitaufgelösten Felddynamik innerhalb des Resonator gibt dabei Aufschluss über die beteiligten Lasermoden. / In this thesis, we study several applications of photonic and plasmonic nanostructures by employing two different numerical methods: the Fourier modal method (FMM) and discontinuous Galerkin time-domain (DGTD) method. The methods are used for four different applications, all of which require a material model extension for the implementation of the methods. These applications include the investigation of thin, free-standing periodically perforated gold films. We characterize the emerging surface plasmon polaritons by computing both transmittance and electron energy loss spectra, which are compared to experimental measurements. To this end, we provide an extension of the DGTD method, including absorbing stretched coordinate perfectly matched layers as well as excitations with smoothed charge distribution for material-penetrating electron beams. Furthermore, an extension to non-dispersive anisotropic materials is used for shape optimization of an all-dielectric magneto-optic metasurface. This optimization enables an enhanced Faraday rotation along with high transmittance. Additionally, we study tuneable near-infrared hyperbolic metamaterial cavities with the help of the FMM. We compute the cavity resonances and compare them to the experiment. Finally, the implementation of a non-linear four-level system material model in the DGTD method is used to compute lasing thresholds of a distributed Bragg reflector microcavity. Introducing a silver grating with variable gap sizes allows for a defect-induced lasing threshold control. The computation of the full time-resolved field dynamics of the cavity provides information on the involved lasing modes.

In dieser Arbeit untersuchen wir das optische Antwortverhalten von planaren Spektrometern basierend auf ungeordneten Streuzentren, dielektrischen Verbundnanopartikeln mit einer plasmonischer Ummantelung, sowie volldielektrischen magnetooptischen formveränderten Metaoberflächen. Dafür benutzen wir sowohl Mie und Mehrfach-Streutheorie als auch ein unstetiges Galerkin Zeitraumverfahren basierend auf finiten Elementen zur numerischen Berechnung der elektromagnetischen Felder. Wir stellen insbesondere eine theoretische Designstudie vor, um ungeordnete Spektrometer mit hoher spektraler Auflösung zu erhalten. Darüber hinaus geben wir eine alternative Strategie an, um durch Untersuchung der optischen Eigenschaften von Verbundnanopartikeln eine Erhöhung der bevorzugten Rückstreuung zu erreichen. Zum Schluss präsentieren wir eine Erhöhung der Faraday-Rotation bei gleichzeitig hoher Transmission von volldielektrischen magnetooptischen Metaoberflächen, welche aus formangepassten Nanodisks bestehen. / In this thesis, we study the optical response of planar spectrometers based on disorder scatterers, composite dielectric nanoparticles with plasmonic shell, and all-dielectric magneto-optical shape-modified metasurfaces. Therefore, we employ both Mie and multiple scattering theory as well as a discontinuous Galerkin time-domain method based on finite elements for the numerical computation of the electromagnetic fields. Specifically, we present a theoretical design study for obtaining random spectrometers with high spectral resolution. Furthermore, we provide an alternative strategy to achieve preferentially high backscattering by studying the optical properties of composite nanoparticles. Finally, we present enhanced Faraday rotation along with high transmittance in all-dielectric magneto-optical metasurfaces composed of shape-modified nanodisks.

This research is aimed at exploding a wire via electromagnetic induction, with a preference for obtaining restrike of the exploding wire in a ring shape or otherwise. Literature on both exploding wire and electromagnetic induction are introduced together. A mathematical framework to describe the wire explosion by induction is formulated from first principles using the idea of magnetic flux linkages. The environment in which the experiments took place is described, with reference to matters of laboratory safety and also measurement of transient electrical current and voltage in the wire explosion by induction. The results describe the approaches taken to explode a wire by induction to obtain a plasma conductor. Voltage and current data are displayed and described. Throughout this work, there are long-exposure digital photographic images of the experiments taking place. These contribute to determining the outcome of experiments, and support the conclusions. Wires were exploded by induction in an air-cored mutually coupled coils system, and restrike of those wires was achieved. Electrical characteristics of wire explosion by electromagnetic induction are displayed and discussed based on what is known about straight exploding wires. Future works involving creation of plasma rings, electromagnetic thrust and exploding wires in vacuum are discussed.

La spectroscopie Raman et Rayleigh stimulée des atomes refroidis par laser donne accès à de nombreuses propriétés des mélasses optiques. Nous interprétons les spectres de transmission et de conjugaison de phase observés dans les deux configurations lasers à une dimension lin+lin et σ+-σ-. Dans le premier cas, les résonances Raman stimulées montrent la localisation et la quantification du mouvement atomique dans le potentiel créé par la lumière. Les résonances Rayleigh stimulées donnent des informations sur les propriétés dynamiques de la mélasse et prouvent l'ordre spatial anti-ferromagnétique des atomes. Dans le second cas, les structures Raman montrent l'existence de différences de populations et de déplacements lumineux dans l'état fondamental. La résonance Rayleigh donne un accès expérimental direct au coefficient de friction de la force de refroidissement.