The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.

Zugl.: Dresden, Techn. Universiẗat, Diss., 2009.

Zuerst wird die Idee einer gechirpten photonischen Kristallfaser vorgestellt. Aus einem stark vereinfachten Modell, die qualitativen Eigenschaften dieses neuen Fasertyps abgeleitet. Hier gelingt es, alle wichtigen Designparameter zu bestimmen. Die hervorragenden Leitungseigenschaften dieser Fasern werden dann in Experimenten demonstriert. Ohne jegliche Dispersionskompensation wird die Übertragung eines 25 fs Impulses in einer 1 Meter langen Faser gezeigt. Wird zusätzlich eine Dispersionskompensation verwendet, lassen sich sogar Impulse mit weniger als 20 fs Dauer übertragen. Im Anschluss daran wird eine photonische Kristallfaser untersucht, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Die hergestellte Faser ist dahingehend optimiert, einen hoch effizienten Soliton-Fission Mechanismus zu ermöglichen, der zur Erzeugung von Weißlicht genutzt wird. Diese Weißlicht-Impulse haben eine mit Soliton-Fission bisher noch nie erreichte Energie von 390 nJ. Auf Grundlage einer guten Übereinstimmung mit den experimentellen Resultaten lässt sich aus numerischen Simulationen der zugrunde liegende Effekt bestimmen. Abschließend wird über ein Experiment berichtet, das die nichtlineare Wechselwirkung zwischen zwei Impulsen verschiedener Wellenlänge ausnutzt, um einen optischen Schalter zu verwirklichen. Dieses Experiment erfordert genaueste Kontrolle der Dispersion und der Nichtlinearität in der Faser. Bei der gleichzeitigen Propagation von zwei Impulsen wird ein neuartiger Schalteffekt beobachtet. Beide Impulse haben nahezu die gleiche Gruppengeschwindigkeit, und ihre nichtlineare Wechselwirkung basierend auf Kreuz-Phasen-Modulation wird dadurch deutlich verstärkt. Hiermit wird ein voll funktionsfähiger optischer Transistor mit gutem Schaltkontrast experimentell demonstriert, der insbesondere einen schwachen Impuls einen stärkeren Impuls schalten lässt. / First, the concept of a novel chirped photonic crystal fiber is introduced. The qualitative dispersion and loss properties of this new fiber are theoretically derived. The calculated results agree excellently with experimental data obtained from fabricated fiber samples. The superior guiding properties of this new photonic fiber are demonstrated in two experiments. The delivery of 25 fs pulses over a 1 meter distance is realized without any dispersion compensation. Moreover, using dispersion compensation, the delivery of even sub-20-fs pulses becomes possible. Subsequently, a photonic crystal fiber with a liquid core is investigated, work presents effective methods for the preparation and explains a scheme for successfully reducing the insertion loss. The fiber is optimized to support the highly efficient soliton-fission mechanism at unprecedented pulse energies in white-light supercontinuum generation. Because of the liquid core, the supercontinuum generation scheme can be scaled beyond the peak-power limitations of solid-core fibers. The generation of a two-octave spanning supercontinuum with 390 nJ pulse energy is demonstrated. The experimental results are compared to a numerical simulation and the underlying mechanism is identified. Finally, an experiment is presented that exploits strong nonlinear interaction of two pulses inside a photonic crystal fiber for all-optical switching. A novel effect is observed during the co-propagation of two ultrashort pulses with different wavelengths. Because of the dispersion properties in the chosen fiber, these pulses are propagating at nearly identical group velocities, which dramatically increases the nonlinear interaction via cross-phase modulation between the two pulses. Based on this interaction, a fully functional optical transistor is experimentally demonstrated with good switching contrast. In particular, the demonstrated optical transistor enables switching of a strong pulse by a much weaker pulse.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden schalenartig aufgebaute Nanoheterostrukturen aus CdTe, CdS und CdSe hergestellt und insbesondere im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Eine neue Variante der CdTe Nanokristallsynthese in ODE als hochsiedendem, nicht koordinierendem Lösungsmittel wurde entwickelt. Diese weist deutliche Vorteile im Bezug auf Reproduzierbarkeit und Wachstumskinetik gegenüber der älteren Synthese in TOP/TOPO auf, da durch ein deutlich verlangsamtes Wachstum die gezielte Synthese von Nanokristallen definierter Größe deutlich erleichtert wird. Diese CdTe Nanokristalle wurden sowohl mit CdS als auch mit CdSe beschichtet. Dabei wurden für beide Arten der Beschichtung verschiedene Methoden getestet und es konnte jeweils eine Synthesemethode gefunden werden, welche Kern-Schale Nanokristalle mit geringer Polydispersität und guten optischen Eigenschaften (schmale Emissionssignale und hohe Quantenausbeuten) liefert. Weiterhin wurden Kern-Schale-Schale Nanokristalle aus CdTe/CdS/CdSe synthetisiert. Dieses System besitzt besonders interessante Eigenschaften, die sich vor allem in Form einer über die eingebettete CdS Schicht einstellbare Ladungsträgertrennung im angeregten Zustand der Nanokristalle und der damit einhergehenden verlängerten Emissionslebensdauer zeigen. Die optischen Eigenschaften (erster elektronischer Übergang) der hergestellten Kern-Schale und Kern-Schale-Schale Teilchen wurden mit theoretischen Berechnungen im Rahmen der „Effektive-Masse-Näherung“ verglichen. Dieser Vergleich ergab für die mit CdSe beschichteten Teilchen eine gute, für die mit CdS beschichteten Teilchen allerdings nur eine mäßige Übereinstimmung. Auch die transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen legen nahe, dass insbesondere die Beschichtung mit CdS nicht quantitativ im Bezug auf die eingesetzte Precursormenge abläuft. Die Emissionslebensdauern der verschiedenen Systeme zeigen nichts desto trotz, dass die theoretisch zu erwartende Ladungsträgertrennung im angeregten Zustand der CdTe/CdS/CdSe Kern-Schale-Schale Nanokristalle tatsächlich eintritt. Durch Einführen der CdS Schicht konnte eine Verlängerung der Emissionslebensdauer der Nanokristalle erreicht werden. Insbesondere wurde gezeigt, dass es möglich ist, verschiedene Nanoheterostrukturen herzustellen, deren Emissionslebensdauern unterschiedlich sind, obwohl sie bei derselben Wellenlänge Licht emittieren. Diese Eigenschaft kann mit Nanokristallen aus nur einem Material nicht erreicht werden. Durch die richtige Kombination von Halbleitermaterialien ist es also möglich, neben der bereits lange bekannten Möglichkeit der Einstellbarkeit der Emissionswellenlänge von Nanokristallen nun auch die Emissionslebensdauer der Nanokristalle zu beeinflussen.

The problem under consideration in the thesis is a two level atom in a photonic crystal and a pumping laser. The photonic crystal provides an environment for the atom, that modifies the decay of the exited state, especially if the atom frequency is close to the band gap. The population inversion is investigated als well as the emission spectrum. The dynamics is analysed in the context of open quantum systems. Due to the multiple reflections in the photonic crystal, the system has a finite memory that inhibits the Markovian approximation. In the Heisenberg picture the equations of motion for the system variables form a infinite hierarchy of integro-differential equations. To get a closed system, approximations like a weak coupling approximation are needed. The thesis starts with a simple photonic crystal that is amenable to analytic calculations: a one-dimensional photonic crystal, that consists of alternating layers. The Bloch modes inside and the vacuum modes outside a finite crystal are linked with a transformation matrix that is interpreted as a transfer matrix. Formulas for the band structure, the reflection from a semi-infinite crystal, and the local density of states in absorbing crystals are found; defect modes and negative refraction are discussed. The quantum optics section of the work starts with the discussion of three problems, that are related to the full resonance fluorescence problem: a pure dephasing model, the driven atom and resonance fluorescence in free space. In the lowest order of the system-environment coupling, the one-time expectation values for the full problem are calculated analytically and the stationary states are discussed for certain cases. For the calculation of the two time correlation functions and spectra, the additional problem of correlations between the two times appears. In the Markovian case, the quantum regression theorem is valid. In the general case, the fluctuation dissipation theorem can be used instead. The two-time correlation functions are calculated by the two different methods. Within the chosen approximations, both methods deliver the same result. Several plots show the dependence of the spectrum on the parameters. Some examples for squeezing spectra are shown with different approximations. A projection operator method is used to establish two kinds of Markovian expansion with and without time convolution. The lowest order is identical with the lowest order of system environment coupling, but higher orders give different results. / Die Arbeit befasst sich mit der Emission eines 2-Niveau-Atoms in einem photonischen Kristall mit einem treibenden Laser. Der photonische Kristall stellt für das Atom eine Umgebung dar, die seinen Zerfall verändert, insbesondere wenn die Übergangsfrequenz des Atoms nahe an der Bandkante ist. Es werden sowohl die Besetzungen als auch das Emissionsspektrum untersucht. Die Dynamik wird im Kontext offener Quantensysteme analysiert. Durch die vielfachen Reflexionen im photonischen Kristall hat das System ein endliches Gedächtnis, das die Markov-Näherung verhindert. Im Heisenberg-Bild stellen die Bewegungsgleichungen für die Systemvariablen eineunendliche Hierachie von Integro-Differentialgleichungen dar. Um ein geschlossenes System zu erhalten, sind Näherungen wie eine schwache Kopplung nötig. Zunächst wird ein einfacher photonischer Kristall betrachtet.: Der eindimensionale photonische Kristall, der aus wechselnden Lagen besteht. Die Blochmoden innerhalb und die Vakuummoden außerhalb des endlichen photonischen Kristalls sind durch eine Transformationsmatrix, die als Transfermatrix interpretiert werden kann, miteinander verbunden. Einfache Formeln für die Bandstruktur, Reflexion eines halb-unendlichen Kristalls, die lokale Zustandsdichte im absorbierenden Kristall werden gefunden; außerdem werden Defektmoden und negative Brechung diskutiert. Im quantenoptischen Teil der Arbeit werden zu Anfang drei Probleme diskutiert, die im Zusammenhang zum Problem der Resonanzfluoreszenz stehen und die analytisch berechnet werden können: Ein Dephasierungsmodell, das getriebenen Atom und Resonanzfluoreszenz im freien Raum. In der niedrigsten Ordnung der System-Bad-Kopplung werden die Erwartungswerte analytisch berechnet und die stationären Zustände werden für bestimmte Fälle diskutiert. Bei der Berechnung der Zweizeitkorrelationsfunktion und der Spektren taucht das zusätzliche Problem der Korrelationen zwischen den beiden Zeiten auf. Im Markov-Fall gilt das Quantenregressionstheorem. Im allgemeinen Fall kann stattdessen das Fluktuations-Dissipations-Theorem benutzt werden. Die Korrelationsfunktionen werden mit zwei verschiedenen Methoden berechnet. Innerhalb der gewählten Näherungen liefern beide Methoden dasselbe Resultat. Einige Plots zeigen die Abhängigkeit des Spektrums von den verschiedenen Parametern. Mehrere Beispiele für Squeezing-Spektren werden mit den verschiedenen Näherungen gezeigt. Eine Projektions-Operator-Methode wird benutzt, um zwei Arten einer Markov-Entwicklung zu implementieren, mit und ohne Faltungsintegral. Die niedrigste Ordnung ist identisch mit der niedrigsten Ordnung der System-Bad-Kopplung, wohingegen höhere Ordnungen andere Resultate ergeben.

Five new coordination polymers, namely, [Zn2(H2O)2(BBC)](NO3)(DEF)6 (DUT-40), [Zn3(H2O)3(BBC)2] (DUT-41), [(C2H5)2NH2][Zn2(BBC)(TDC)](DEF)6(H2O)7 (DUT-42), [Zn10(BBC)5(BPDC)2(H2O)10](NO3)(DEF)28(H2O)8 (DUT-43), and [Co2(BBC)(NO3)(DEF)2(H2O)](DEF)6(H2O) (DUT-44), where BBC – 4,4′,4′′-(benzene-1,3,5-triyl-tris(benzene-4,1-diyl))tribenzoate, TDC – 2,5-thiophenedicarboxylate, BPDC – 4,4′-biphenyldicarboxylate, DEF – N,N-diethylformamide, were obtained under solvothermal conditions and structurally characterized. It has been shown that compounds DUT-40, DUT-41 and DUT-44 exhibit 2D layered structures with large hexagonal channels. Utilization of additional angular dicarboxylic TDC linker led to the formation of the DUT-42 compound with the structure consisting of three interpenetrated 3D networks. Using the linear co-linker dicarboxylic BPDC, DUT-43 was obtained which forms a complicated 3D architecture arising from the polycatenation of triple-layered 2D building units and 2D single layer units. The pore accessibility of the synthesized compounds in the liquid phase was proved by the adsorption of dye molecules. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Gegenstand der Arbeit ist die Analyse der bei hohen Verformungsgraden in Werkstoffen durch kollektive Bewegung der Versetzungen entstandenen neuen Defektkonfigurationen, die auf der mesoskopischen Skala agieren. Diese so genannte Disklinationen rufen neben starken Gitterdehnungen auch erhebliche lokale Gitterrotationen hervor. Es wurde der Nachweis der Existenz der Disklinationen in plastisch verformten Kristallen geliefert sowie die qualitative und quantitative Analyse der Disklinationskonfigurationen und der Disklinationsstärke durchgeführt. Die Untersuchungen an stark verformten Ein- und Vielkristallen wurden mittels sowohl lokalen Methoden der Transmissions- (TEM, CBED) und Rasterelektronenmikroskopie (REM, EBSD) als auch der integralen Methoden der Röntgenstrukturanalyse (XRD) durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Entwicklung der Zellblockstruktur mit erheblichem Anstieg der Desorientierungen und Versetzungsdichten in Versetzungswänden verbunden ist und durch die Bildung der Netzwerke von Disklinationen gefördert wird.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang die Synthese einer Reihe von neuartigen linear oder tetragonal präorganisierten tektonischen Verbindungen mit peripheren Haftgruppen, bestehend aus den natürlich vorkommenden Aminosäuren Glycin und L-Alanin oder kurzen Peptiden. Neben der Synthese stand die strukturelle Charakterisierung der Zielsubstanzen und Vorstufen im Vordergrund, wobei die Aufklärung der Kristallstrukturen einer Zielverbindung und elf relevanter Vorstufen gelang, deren Packungsstrukturen überwiegend durch N–H•••O-Interaktionen determiniert sind. Ergänzend konnten Informationen bezüglich der von den Haftgruppen gebildeten Strukturmotive im Festkörper mittels FT-IR-Spektroskopie abgeleitet werden. Die Auswertung konformationssensitiver 1H- und 13C-NMR-Signale zeigt, dass Aminosäurereste innerhalb identischer Haftgruppen in Lösung jeweils in derselben Konformation vorliegen. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen der hergestellten Zielverbindungen lassen interessante Anwendungen auf dem Gebiet der Sensorik erwarten.

Ziel dieser Arbeit war die Berechnung elektromagnetischer Nahfelder, die wesentlich sind für die Charakterisierung von Strukturen im Submikrometerbereich. Diese Aufgabenstellung wurde im Rahmen der klassischen Elektrodynamik unter Vernachlässigung von quantenmechanischen und relativistischen Effekten durchgeführt. Die untersuchten Modellsysteme bestanden aus stückweise homogenen Medien. Eine Beschränkung auf eine harmonische Zeitabhängigkeit der Felder fand nicht statt. Zum Einsatz kamen analytische (Mie-Theorie und deren Erweiterungen), semi-analytische (MMP) und rein numerische Methoden (FDTD). Besonders umfassend wurden die Eigenschaften evaneszenter Wellen untersucht. Entgegen der oft üblichen Vorgehensweise wurden die Beschränkung auf 2-dimensionale Modelle vermieden und Metalle nicht idealisiert als perfekt leitend, sondern realistisch über einen komplexen Brechungsindex bzw. über ein äquivalentes Drude-Modell beschrieben. Nur so ist es möglich die Ausbreitung von surface plasmon polaritons zu modellieren und den Einfluß von Volmenplasmonen zu berücksichtigen. Untersucht wurden periodische und nicht periodische Strukturen aus dielektrischen und metallischen Materialien. Solche Systeme sind nützlich aufgrund der Bildung von photonischen Bandlücken (Dielektrika) und der Realisierung hoher Feldverstärkungen (Metalle). Die erste Eigenschaft kann für die Konstruktion von besonders effektiven Laser und die zweite im Rahmen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung angewendet werden. Eine weiterer Schwerpunkt dieser Dissertation war die Analyse nahfeld-optischer Mikroskope (SNOM). Mit solchen Apparaturen kann eine Auflösung jenseits des Abbe-Limit erreicht werden. Untersucht wurden die Abbildungseigenschaften aperturloser Nahfeld-Mikroskope und die Ausbreitung von Femto-Sekunden Pulsen in einem konventionellen SNOM, welches mit einer metallbeschichteten Glasfaser ausgestattet ist. Die zweite Fragestellung ist relevant für die Kombination von hoher räumlicher mit hoher zeitlicher Auflösung.

The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.