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.

This work deals with the interaction of intense 100 ps laser pulses with double-layer foil targets, consisting of one dielectric (Mylar) layer and one metallic layer. The diagnostics of the evolving plasmas is done by the means of shorttime interferometry, time-resolved X-ray spectroscopy, and methods of ion dosimetry in polymer nuclear track detectors (CR-39). / Die Arbeit beschäftigt sich mit der Wechselwirkung intensiver 100-ps-Laserpulse eines Nd:YAG-Lasersystems mit Zweischicht-Folientargets, die aus einer dielektrischen Schicht (Mylar) und einer metallischen Schicht bestehen. Die entstehenden Plasmen werden mittels Kurzzeitinterferometrie und zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie sowie mit Methoden der Ionendosimetrie in Polymer-Kernspurätzdetektoren (CR-39) untersucht.

The master's thesis consists of two parts. The first part contains the azimuth -- slowness analysis for period 3s<=T<=6s, which was conducted by the FK analysis for 10 stations of the WEBNET network. In the second part there is the surface wave group velocity measurement for every station pair of 10 WEBNET stations. The interstation group velocity was obtained by the cross--correlation of microseismic noise records. Local group velocities are connected with the instantaneous period data. The Love wave group velocities are visualised by the 2D tomography calculation. The thesis also contains the additional Love waves dispersion analysis for just one station pair. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

In-situ 3-D shape measurements with submicron shape uncertainty of fast rotating objects in a cutting lathe are expected, which can be achieved by simultaneous distance and velocity measurements. Conventional tactile methods, coordinate measurement machines, only support ex-situ measurements. Optical measurement techniques such as triangulation and conoscopic holography offer only the distance, so that the absolute diameter cannot be retrieved directly. In comparison, laser Doppler distance sensors (P-LDD sensor) enable simultaneous and in-situ distance and velocity measurements for monitoring the cutting process in a lathe. In order to achieve shape measurement uncertainties below 1 µm, a P-LDD sensor with a dual camera based scattered light detection has been investigated. Coherent fiber bundles (CFB) are employed to forward the scattered light towards cameras. This enables a compact and passive sensor head in the future. Compared with a photo detector based sensor, the dual camera based sensor allows to decrease the measurement uncertainty by the order of one magnitude. As a result, the total shape uncertainty of absolute 3-D shape measurements can be reduced to about 100 nm.

The high stiffness to weight ratio of glass fibre-reinforced polymers (GFRP) makes them an attractive material for rotors e.g. in the aerospace industry. We report on recent developments towards non-contact, in-situ deformation measurements with temporal resolution up to 200 µs and micron measurement uncertainty. We determine the starting point of damage evolution inside the rotor material through radial expansion measurements. This leads to a better understanding of dynamic material behaviour regarding damage evolution and the prediction of damage initiation and propagation. The measurements are conducted using a novel multi-sensor system consisting of four laser Doppler distance (LDD) sensors. The LDD sensor, a two-wavelength Mach-Zehnder interferometer was already successfully applied for dynamic deformation measurements at metallic rotors. While translucency of the GFRP rotor material limits the applicability of most optical measurement techniques due to speckles from both surface and volume of the rotor, the LDD profits from speckles and is not disturbed by backscattered laser light from the rotor volume. The LDD sensor evaluates only signals from the rotor surface. The anisotropic glass fibre-reinforcement results in a rotationally asymmetric dynamic deformation. A novel signal processing algorithm is applied for the combination of the single sensor signals to obtain the shape of the investigated rotors. In conclusion, the applied multi-sensor system allows high temporal resolution dynamic deformation measurements. First investigations regarding damage evolution inside GFRP are presented as an important step towards a fundamental understanding of the material behaviour and the prediction of damage initiation and propagation.

This PhD thesis deals with elastohydrodynamic lubrication (EHL) under the conditions that occur between mated hypoid gear teeth. The aim is to describe experimentally the behaviour of lubricating film and mechanisms of its formation. The focus is mainly placed on clarifying the influence of direction and magnitude of sliding velocity in circular and elliptical contacts. Generally, it is still assumed that the direction of sliding velocity has no effect on the resulting lubricant film. In this study optical interferometry is used to determine distribution of lubricant film thickness. This work includes new and original results which clarify the studied problem. It was found that the direction of sliding velocity affects shape of the film at high speeds. This relates to the effect on heat flow through the contact. The results have an impact on the development of general EHL theory and provide knowledge applicable in film thickness prediction in the design of real tribological nodes.

Die vorliegende Arbeit ist der Verbesserung der Carrier-Envelope Phasenstabilisierung von ultrakurzen Laserimpulsen gewidmet. Zur Realisierung von Fortschritten auf diesem Gebiet werden die grundlegenden Rauschquellen identifiziert, die das erzielbare Restphasenrauschen limitieren, und geeignete Maßnahmen zu deren Verringerung vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass sowohl die Messung der Carrier-Envelope Phase (CEP) als auch deren Kontrolle durch verschiedene Rauschbeiträge beeinträchtigt wird. Der Detektionsprozess ist dabei einerseits durch technische Rauschquellen beeinflusst, die vor allem in den verwendeten nichtlinearen Interferometern auftreten. Andererseits repräsentiert das Detektionsrauschen während der elektro-optischen Wandlung eine fundamentale Limitierung, da das optische Schrotrauschen sowie das Rauschen des Lichtdetektors die Messung der CEP unausweichlich beeinträchtigen. Es wird demonstriert, wie solche Beschränkungen durch geeignete Wahl der Interferometertopologie, bzw. durch Optimierung des spektralen Verbreiterungsmechanismus verringert werden können. Experimentell gelingt es dadurch den Signal-Rauschabstand der Phasenmessung um 20 Dezibel zu steigern. Hinsichtlich der CEP Kontrolle von Oszillatoren wird in dieser Arbeit ein neuartiges Doppelstabilisierungskonzept vorgestellt, welches eine feed-forward Stabilisierung, die auf einem akustooptischen Frequenzschieber beruht, mit einer klassischen Feedback Regelung kombinert. Mit diesem Konzept gelingt eine Reduzierung des Phasenrestrauschen auf beispiellose 20 Milliradian. Darüber hinaus werden weitere neue Stabilisierungskonzepte vorgestellt, die ohne Feedback zu dem Laseroszillator auskommen. Bei einem dieser Konzepte, handelt es sich um eine gepulste feed-forward Stabilisierung, die speziell für das Zusammenwirken mit einer Verstärkerstufe konzipiert ist. Erste experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Phasenrestrauschen von weniger als 100 Milliradian auch für Verstärkersysteme erreichbar sind. / The present thesis is dedicated to improvements of the carrier-envelope phase stabilization of ultrashort laser pulses. In order to realize such improvements, the fundamental noise sources are identified, and suitable measures for their reduction are proposed. It is shown that both, the measurement of the carrier-envelope phase (CEP) as well as its control are corrupted by different noise contributions. On the one hand, the detection process is influenced by technical noise sources, which arise especially in the used nonlinear interferometers. On the other hand, the detection noise in the electro-optic conversion represents a fundamental limitation, since the optical shot noise as well as the noise induced by the light detector inevitably influence the measurement of the CEP. It is demonstrated how such limitations can be minimized by a suitable choice of the interferometer topology and by an optimization of the spectral broadening process in a micro-structured fiber. This way an enormous improvement of the signal-to-noise ratio by 20 dB is obtained experimentally, which significantly reduces the limitation of detection noise. For controlling the CEP of mode-locked oscillators, a novel double stabilization scheme is introduced in this thesis, which combines a feed-forward stabilization based on an acousto-optic frequency shifter, with a classical feedback loop. This method enables a reduction of the residual phase jitter to an unprecedented value of 20 milliradian. Beyond that, several further concepts are introduced that are capable of stabilizing the CEP without any feedback to the laser oscillator. One of these concepts, represents a pulsed feed-forward stabilization, which is specifically designed for the use in combination with a subsequent amplification stage. First experimental results indicate that residual phase jitters of less than 100 milliradian are within reach also for amplified laser systems.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Carrier-Envelope Phasendrift modengekoppelter Laser sowie Maßnahmen zu deren aktiver und passiver Stabilisierung. Das restliche Phasenrauschen wird in verschiedenen Messaufbauten im Hinblick auf physikalische Ursachen und mögliche Optimierungen untersucht. Dazu werden einführend verschiedene Interferometeranordnungen zur Messung der CEP Drift von Ti:Saphir Oszillatoren systematisch auf ihr Eigenrauschen hin untersucht. In einem Vergleichsexperiment wird die Überlegenheit kompakter Interferometeraufbauten demonstriert. Zusätzlich wird eine einfache Anordnung vorgestellt, welche die Bestimmung der Phase eines spektralen Interferenzmusters. Das analoge Verfahren wird zur Einzelschussanalyse der CEP Drift von Verstärkerimpulsen verwendet. Hiermit werden erstmals schnelle Rauschbeiträge aufgedeckt. Ergänzend wird ein Konzept zur orthogonalen Kontrolle der CEP Drift mithilfe einer speziellen Kompensatoreinheit diskutiert. Der Kompensator besteht aus zwei Keilprismen, hergestellt aus unterschiedlichen optischen Materialien, die als Einheit verschoben werden. Durch geeignete Wahl der Materialien werden Effekte auf die Gruppenlaufzeit oder deren Dispersion gleichzeitig eliminiert. Darüber hinaus wird ebenfalls erstmalig ein lineares Messverfahren demonstriert, das die CEP Drift auch für ps-Oszillatoren erschließt. Zur linearen Detektion wird die spektrale Interferenz aufeinander folgender Impulse eines Impulszuges aufgelöst, die mit einem Ringresonator überlagert werden. Abschließend wird ein neues Verfahren präsentiert, das einen Impulszug generiert, dessen Einzelimpulse eine identische Feldstruktur aufweisen. Dazu das Messsignal direkt an ein externes Rückstellelement übergeben ohne eine zusätzliche Regelschleife zu benötigen. Auf diese Weise können Bandbreitenprobleme der Regelschleife vermieden werden. Da Rückstellelement und Laser voneinander getrennt sind, bleibt der Laser in seinem Betrieb ungestört. / This work discusses the carrier-envelope phase drift of mode-locked lasers as well as techniques for its active and passive stabilization. In order to reveal the physical origin of the drift, the investigations focus on the analysis of residual phase noise. From the analysis, potential improvements are developed. For this purpose, in a first experimental approach, different interferometer configurations for CEP drift detection of Ti:sapphire oscillators are compared. Comparative studies clearly reveal the superiority of compact interferometer set-ups in terms of noise. In a second series of experiments, a simple assembly is introduced for the direct extraction of the phase from spectral interference patterns. The analog method is demonstrated with single-shot measurements and utilized for stabilization of the CEP drift of an amplifier system, thereby enabling monitoring of additional fast noise contributions for the first time. Moreover, a concept for orthogonal control of the CEP drift by a specially designed compensator assembly is discussed. This assembly consists of two thin wedge prisms made from different optical materials. By choosing an appropriate material group delay and its dispersion are eliminated synchronously. Furthermore, a linear method is presented that provides access to the CEP drift of ps-oscillators for the first time. The newly introduced much more general linear approach relies on resolving the spectral interference of subsequent pulses from a pulse train, which are superimposed utilizing a ring resonator. Finally, a technique is demonstrated that generates a pulse train consisting of single pulses with identical field structure. Particularly, the heterodyne signal is directly fed forward to the external feedback element, replacing the classical servo loop. Therefore, servo bandwidth limitations are eliminated. Since feedback element and laser oscillator are decoupled, the laser performance is not corrupted by side effects from the feedback.

In dieser Arbeit wird die digital-holographisch-interferometrische Zwei-Wellenlängen-Formerfassung sehr schnell bewegter Objekte behandelt und dafür unter Nutzung einer Ultrakurzpuls-Laserquelle mit der digitalen Einzelimpuls-Mehr-Wellenlängen-Holographie ein neuartigen Ansatz der digital-holographischen Aufnahme und Auswertung entwickelt. Mit der Entwicklung spezieller Methoden zur Formung der spektralen Signatur einer Ultrakurzpuls-Laserquelle hoher Leistungsdichte wurde zum ersten Mal die Voraussetzung für eine Zwei-Wellenlängen-Formerfassung hochdynamischer Objekte geschaffen. Die intrinsisch kurze Belichtungszeit unter einer Pikosekunde macht das Verfahren absolut stabil gegenüber Umwelteinflüssen. Für die simultane Aufnahme werden die spektral verschiedenen Hologramme mit einem eigens entwickelten Prinzip der Polarisationskodierung räumlich getrennt und zum ersten Mal mit zwei synchron laufenden Kameras gespeichert. Mit den in der digital-holographischen Einzelimpuls-Mehr-Wellenlängen-Interferometrie zusammengefassten numerischen Routinen zur Rekonstruktion und Phasenauswertung wird eine Zwei-Wellenlängen-Formerfassung mit mehreren Kameras möglich. In Anwendung des neuartigen Verfahrens an verschiedenen dynamischen Mikrosystemen konnte eine Genauigkeit von einem Zwanzigstel der erzeugten synthetischen Wellenlänge, bei der Auswertung der spektralen Differenzphase an Objekten in Reflexion erreicht werden. In einer digital-holographischen Hochgeschwindigkeitsformerfassung in Transmission wurden erstmals Bildfolgefrequenz von mehr als 0,4 kHz erreicht und der interferometrische Eindeutigkeitsbereich auf mehr als das 60-fache der optischen Wellenlänge ausgedehnt. Es wurden die Voraussetzungen für eine digitale Vier-Wellenlängen-Holographie geschaffen. Zukünftig wird eine Formerfassung mit einer Genauigkeit von 10nm über einen eindeutigen interferometrischen Bereich einiger 10 μm und die Untersuchungen von Prozessen auf einer Pikosekunden-Zeitskala möglich sein. / This work deals with the digital holographic interferometric two-wavelength contouring of very fast moving objects and develops with the digital single pulse multiwavelength holography a novel approach of digital holographic recording and analysis, using an ultrashort pulse laser source. The development of several methods to shape the spektral signature of an high power ultrashort pulse laser source provides the precondition for a two-wavelength contouring of highly dynamic objects for the first time. The intrinsically short exposure time shorter than a picosecond makes the system stable regarding external impacts. For the simultaneous recording the spektral different holograms are spatially separated in novel interferometric setups by the especially developed principle of polarization encoding and stored with two synchronized cameras for the first time. The digital holographic single pulse multi-wavelength interferometry combines the numeric routines of reconstruction and phase evaluation that make a two-wavelength contouring possible using more than one camera. The novel approach is successfully demonstrated on several dynamic microsystems. Evaluating the spectral phase difference for objects in reflection an accuracy of 2 μm, which corresponds to the twentieth of the realized synthetic wavelength, could be achieved. In a digital holographic high speed contouring in transmission a frame rate higher than 0,4 kHz was achieved for the first time and the interferometric range of unambiguity was extended larger than sixty times the optical wavelength. Furthermore, the developed digital holographic single pulse multi-wavelength interferometry is not limited to the evaluation of two wavelength. The principles of the method allow to perform digital four-wavelength holography. Future a contouring with an accuracy of 10nm over the unambiguous interferometric range of several 10 μm and the investigation of processes on a picosecond time scale will be possible.