The extra-cellular microenvironment has a fundamental role in tumor growth and progression, strongly affecting the migration strategies adopted by single cancer cells during metastatic invasion. In this study, we use a novel microfluidic device to investigate the ability of mesenchymal and epithelial breast tumor cells to fluidize and migrate through narrowing microstructures upon chemoattractant stimulation. We compare the migration behavior of two mesenchymal breast cancer cell lines and one epithelial cell line, and find that the epithelial cells are able to migrate through the narrowest microconstrictions as the more invasive mesenchymal cells. In addition, we demonstrate that migration of epithelial cells through a highly compressive environment can occur in absence of a chemoattractive stimulus, thus evidencing that they are just as prone to react to mechanical cues as invasive cells

The vectorial nature (polarization) of light plays a significant role in light-matter interaction that leads to a variety of optical devices. The polarization property of light has been exploited in imaging, metrology, data storage, optical communication and also extended to biological studies. Most of the past studies fully explored and dealt with the conventional polarization state of light that has spatially symmetric electrical field geometry such as linear and circular polarization. Recently, researchers have been attracted to light whose electric field vector varies in space, the so-called optical vector vortex beam (VVB). Such light is expected to further enhance and improve the efficiency of optical systems. For instance, a radially polarized light under focusing condition is capable of a tighter focus more than the general optical beams with a uniform polarization structure, which improves the resolution of the imaging system [1]. Interaction of ultrafast laser pulses with matter leads to numerous applications in material processing and biology for imaging and generation of microfluidic systems. A femtosecond pulse, with very high intensities of (10^{12} - 10^{13} W/cm^2), has the potential to trigger a phenomenon of optical breakdown at the surface and therefore induce permanent material modification. With such high intensities and taking into account the fact that most materials possess large bandgap, the interaction is completely nonlinear in nature, and the target material can be modified locally upon the surface and even further in bulk. The phenomenon of optical breakdown can be further investigated by studying the nonlinear absorption. Properties like very short pulse duration and the high irradiance of ultrashort laser pulse lead to more precise results during the laser ablation process over the long pulsed laser. The duration of femtosecond laser pulse provides a high resolution for material processing because of the significant low heat-affected zone (HAZ) beyond the desired interaction spot generated upon irradiating the material. Under certain condition, the interaction of intense ultrashort light pulses with the material gives rise to the generation of periodic surface structures with a sub-micron periodicity, i.e., much smaller than the laser wavelength. The self-oriented periodic surface structures generated by irradiating the material with multiple femtosecond laser pulses results in improving the functionality of the material's surface such as controlling wettability, improving thin film adhesion, and minimizing friction losses in automobile engines, consequently, influences positively on many implementations. In this work, we introduced a new method to study complex polarization states of light by imprinting them on a solid surface in the form of periodic nano-structures. Micro/Nanostructuring of diamond by ultrafast pulses is of extreme importance because of its potential applications in photonics and other related fields. We investigated periodic surface structures usually known as laser-induced periodic surface structures (LIPSS) formed by Gaussian beam as well as with structured light carrying orbital angular momentum (OAM), generated by a birefringent optical device called a q-plate (QP). We generated conventional nano-structures on diamond surface using linearly and circularly polarized Gaussian lights at different number of pulses and variable pulse energies. In addition, imprinting the complex polarization state of different orders of optical vector vortex beams on a solid surface was fulfilled in the form of periodic structures oriented parallel to the local electric field of optical light. We also produced a variety of unconventional surface structures by superimposing a Gaussian beam with a vector vortex beam or by superposition of different order vector vortex beams. This thesis is divided into five chapters, giving a brief description about laser-matter interaction, underlying the unique characterization of femtosecond laser over the longer pulse laser and mechanisms of material ablation under the irradiation of fs laser pulse. This chapter also presents some earlier studies reported in formation of (LIPSS) fabricated on diamond with Gaussian. The second chapter explains the properties of twisted light possessing orbital angular momentum in its wavefront, a few techniques used for OAM generation including a full explanation of the q-plate from the fabrication to the function of the q-plate, and the tool utilized to represent the polarization state of light (SoP), a Poincar'e sphere. Finally, the experimental details and results are discussed in the third and fourth chapters, respectively, following with a conclusion chapter that briefly summarizes the thesis and some potential application of our findings.

Sub-surface modification using a frequency doubled Ti: Sapphire femtosecond (fs) laser at 1kHz repetition rate, producing 100-fs pulse duration at 400nm, is studied in order to fabricate optical components within non-photosensitised polymethyl methacrylate (PMMA). This thesis explores the feasibility of producing three-dimensional optical devices in bulk polymers and polymer optical fibre (POF) using fs laser direct-writing techniques. For effective and optimal structuring, the laser writing parameters and focusing conditions, such as focusing depth, translation speed, and accumulated fluence are investigated by means of photo-modification thresholds; structural changes in dimensions and morphologies; and the magnitude of the refractive index modulation. The highest refractive index change is 3.2x10^(-3) achieved by using a dry (non-immersion) 0.45-NA objective for a single laser scan. Variations in damage threshold with focusing depths are attributed to a combination of material absorption or surface scattering of light due to contamination or surface imperfections, as well as oxygen diffusion and spherical aberration. Distortion of the laser-induced feature size and shape due to spherical aberrations is controlled and compensated by adjusting the laser power near the damage threshold. Permanent refractive index structures with cross-sectional dimensions of 2μm by 0.9μm and 3μm by 1.4μm are demonstrated at depths of 300μm and 500μm below the surface, resulting in the axial/ lateral ratio of 2.2 and 2.1, respectively. A novel phenomenon relevant to effects of translation speed on the fs laser modification is observed for the first time. As translation speeds reduce from 1.2 to 0.6mm/s, the optical damage threshold power decreases by 6μW, whilst other writing conditions remain constant. However, the damage threshold increases by 74μW with decreasing speeds from 0.6 to 0.35mm/s. This significant increase in threshold power enables inscription of refractive index gratings <5μm below the surface, because irradiation on the surface or near the surface initiates ablation rather than refractive index changes, and this forms a limit for writing useful structures. Compensating for this limit by using appropriate writing parameters highlights the potential of fabricating three-dimensional integrated optical circuits in thin (100μm) polymer substrates. Finally, highly localised fabrication of long period gratings into step-index single mode polymer fibres is demonstrated by removing distortion effects due to the curved surface. The distortion is compensated by sandwiching the fibre with two flat PMMA sheets, between which index-matching oil (n=1.5) is injected. This arrangement enables precise laser micro-structuring with flat interfaces and continuous inner material. The first demonstration of a 250-μm-period fibre grating, resulting in attenuation bands in the visible spectral region at 613, 633, 728, 816, 853, 877 and 900nm, is presented.

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Στην παρούσα εργασία μελετούμε την διέγερση ενός ατομικού συστήματος καλίου (Κ) από 2 παλμούς λέιζερ, έναν άντλησης και έναν σύζευξης, οι οποίοι έχουν μεταξύ τους κάποια χρονική καθυστέρηση, καθώς και την επίδραση που έχουν οι χρόνοι κρούσεων των ατόμων καλίου με τα άτομα ενός αδρανούς αερίου (buffer gas – Argon), στους χρόνους αποκατάστασης ηρεμίας των ατομικών συμφωνιών (coherence relaxation times – CRT). Συγκεκριμένα γίνεται θεωρητική μελέτη του παραπάνω συστήματος σε V-τύπου σχήμα διέγερσης 3 επιπέδων, με σκοπό την προσέγγιση πειραματικών τιμών που βρέθηκαν σε προηγούμενη εργασία. Ένας ισχυρός παλμός άντλησης διεγείρει διφωτονικά την μετάβαση |4S_1/2>↔|6S_1/2> και εσωτερικά παραγόμενες ακτινοβολίες γεννώνται στην ατομική διαδρομή |6S_1/2>↔|5P_3/2>↔|4S_1/2> (διαδρομή 1), ενώ ένας πολύ ασθενής παλμός σύζευξης επιδρά στην μετάβαση |4S_1/2>↔|5P_3/2>. Εδώ δείχνουμε την επίδραση διαφόρων παραμέτρων του συστήματος στη δυναμική του, και κυρίως την επίδραση της χρονικής καθυστέρησης (μεταξύ των εξωτερικών παλμών άντλησης – σύζευξης) και του χρόνου των κρούσεων. Ακόμη διακρίνουμε μεταξύ τους τις 2 διαφορετικές διαδικασίες με τις οποίες δημιουργούνται οι εσωτερικά παραγόμενες ακτινοβολίες, μια παραμετρικής φύσεως που δεν περιλαμβάνει μεταφορές πληθυσμών και είναι σύμφωνη, και μια ASE (amplified spontaneous emission) φύσεως που είναι μερικώς σύμφωνη, και περιλαμβάνει μεταφορές πληθυσμών. Επιπλέον διερευνάται πειραματικά ένα σύστημα σε Λ-τύπου σχήμα διέγερσης το οποίο είναι πολυεπίπεδο. Το ισχυρό λέιζερ άντλησης διεγείρει διφωτονικά την μετάβαση |4S_1/2>↔|6S_1/2>. Στο Λ σχήμα διέγερσης όμως δεν μας ενδιαφέρουν ανώτερες καταστάσεις από την |6S_1/2>, καθώς η αποδιέγερση γίνεται μέσω κατώτερων από αυτήν καταστάσεων, οπότε η μελέτη απλοποιείται και τελικά γίνεται για σύστημα 4ων επιπέδων. Εσωτερικά παραγόμενες ακτινοβολίες γεννώνται στην ατομική διαδρομή 1 που αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο καθώς και στην ατομική διαδρομή |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2> (διαδρομή 2), ενώ ένας λίγο ασθενέστερος παλμός σύζευξης επιδρά στην μετάβαση |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>. Στην μελέτη αυτή επικεντρωνόμαστε στην συνολική συμπεριφορά των εκπομπών του καλίου (γραμμές D1 και D2 της μετάβασης |4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2>), και παρατηρούμε μια ενίσχυση των εσωτερικά παραγόμενων ακτινοβολιών. Τέλος υπολογίζουμε τους χρόνους αποκατάστασης ηρεμίας της συμφωνίας (Coherence Relaxation Times – CRT) για το συγκεκριμένο σύστημα και τους συγκρίνουμε με αυτούς που υπολογίστηκαν πειραματικά σε προηγούμενη εργασία για V-τύπου σύστημα 3 επιπέδων. / In the present work we study the excitation of an atomic system (potassium vapors – K) by 2 laser pulses, one pumping the system and another establishing a coupling between certain atomic states. These 2 pulses (pump – coupling) have a temporal delay. The influence of collision times (between potassium and buffer gas atoms) on the coherence relaxation times (CRT) is also investigated. More specifically a theoretical approach of the aforementioned system in a 3-level V-type excitation scheme is being done, for the purpose of approximating some experimental values of a previous study. A strong pumping pulse excites the two-photon transition |4S_1/2>↔|6S_1/2> and internally generated radiations are produced in atomic path |6S_1/2>↔|5P_3/2>↔|4S_1/2> (path 1), while a very weak coupling pulse is introduced in transition |4S_1/2>↔|5P_3/2>. We show in this part the influence of different system parameters on the system’s dynamics, and especially the influence of the temporal delay (between the pump and coupling pulses) and collision times. Also we separate the 2 different mechanisms that cause the internally generated radiations. A parametric mechanism which is coherent and doesn’t include population transfer, and an ASE (Amplified Spontaneous Emission) or SHRS (Stimulated Hyper-Raman Scattering) mechanism which is partially coherent and includes population transfer. Furthermore the behavior of a 4-level Λ-type excitation scheme is being investigated experimentally. A strong pumping pulse excites the two-photon transition |4S_1/2>↔|6S_1/2>. In a Λ type excitation scheme the atomic states that lie higher than state |6S_1/2> are not of interest, because de-excitation occurs through lower-laying atomic states. So we focus our study on a simpler 4 level system. Internally generated radiations are produced in atomic path 1, which was mentioned in the last paragraph, and also in atomic path |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2> (path 2). A weaker coupling laser as introduced in transition |6S_1/2>↔|4P_3/2,1/2>. In this part of the study we focus on the overall behavior of the D1 and D2 emission lines of potassium (occurring from the transition |4P_3/2,1/2>↔|4S_1/2>) and we observe an amplification of the internal radiations. Finally we calculate the CRT times for this specific system and we compare them with those values that were calculated experimentally in a previous work for a V-type system.

Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik zur nichtlinearen Optik wider. Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2) und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren. Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s. Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2 und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum 5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt. Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt, zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt werden. In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s. Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben. Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs- Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel 5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.