Die Schwingungsspektroskopie ist ein etabliertes Verfahren in der Materialwissenschaft sowie in der biomedizinischen Forschung zur Untersuchung von probenspezifischen Eigenschaften. Sie nutzt die Wechselwirkung von Licht (Photonen) mit Schwingungsquanten (Phononen) aus, um materialspezifische Informationen zu erlangen. Die Ramanspektroskopie ist sensitiv gegenüber optischen Phononen und findet seit der Erfindung des Lasers rege Verwendung. Im Gegensatz dazu untersucht die Brillouinspektroskopie die akustischen Phononen. Sie kam lange Zeit jedoch nur vereinzelt in der Materialwissenschaft zum Einsatz, da sie auf Grund der sequentiellen Spektrenaufnahme sehr zeitaufwendig war. Erst kürzlich konnte durch die Verwendung von einem virtually imaged phased array (VIPA) als dispersives Element im Brillouinspektrometer die Messzeit drastisch verkürzt werden, wodurch auch ein Einsatz in der biomedizinischen Forschung möglich ist. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein kombiniertes Brillouin-Raman-System aufgebaut, welches eine zeitgleiche und ko-lokalisierte Aufnahme von Brillouin und Ramanspektren ermöglicht. Im Vergleich zu anderen Systemen, profitiert dieser Aufbau von der Verwendung zweier VIPAs mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen was zu einer Entkopplung der spektralen Achsen und damit zu sensitiveren Messungen führt. Außerdem ermöglicht dies eine eineindeutige Bestimmung von Brillouin-Verschiebungen. Darüber hinaus zeichnen die nahinfrarote Anregung bei 780 nm und die kontinuierliche Kalibrierung des Brillouinspektrums dieses System aus. In einer ersten Anwendung wurden mit diesem kombinierten System ferroelektrische Domänenwände in periodisch gepoltem Lithiumniobat untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass neben dem aus der Literatur bekannten Raman-Kontrast (Intensitätsvariation bei 635 cm−1) auch das Brillouinspektrum einen Unterschied zwischen der Domänenwand und einer flächigen Domäne aufweist (Verringerung der Brillouin-Verschiebung). Es konnte gezeigt werden, dass bestehende Theorien für den Raman-Kontrast auch verwendet werden können, um den Brillouin-Kontrast zu erklären. Kombinierte Brillouin-Raman Messungen verdeutlichten, dass beide Kontraste zu Bildgebungszwecken genutzt werden können. In einer zweiten Anwendung, wurde das System dazu genutzt, die Tumorbiologie von Glioblastomzellen zu charakterisieren. Die Kombination der beiden spektroskopischen Methoden erlaubte es, die biochemischen mit den biomechanischen Eigenschaften zu korrelieren. So konnte ermittelt werden, dass der Zellkern die höchste Steifigkeit innerhalb einer adhärenten Zelle aufweist. Ein Vergleich zwischen adhärent und als Sphäroid gewachsenen Zellen offenbarte, dass letztere eine signifikant höhere Steifigkeit aufweisen, was bei der Wahl eines geeigneten Tumormodells berücksichtigt werden sollte. Darüber hinaus konnte anhand der klinisch bedeutsamen IDH1-mutation gezeigt werden, dass sich auch der Genotyp einer Zelle auf die Biomechanik auswirkt. Kombinierte Messungen an Sphäroiden wiesen darauf hin, dass sowohl Proteine sowie indirekt auch Lipide maßgeblich die biomechanischen Eigenschaften beeinflussen. Die beiden Anwendungen verdeutlichen, welche Vorteile eine Kombination dieser beiden spektroskopischen Verfahren mit sich bringt. Ihre nicht-invasive, zerstörungs- und präparationsfreie Arbeitsweise bietet dabei die Grundlage für weitere Untersuchungen auch in anderen Anwendungsfelder. / Vibrational spectroscopy is an established technique in materials science as well as in biomedical research for the investigation of sample-specific properties. It exploits the interaction of light (photons) with vibrational quanta (phonons) to obtain material-characteristic information. Raman spectroscopy is sensitive to optical phonons and has been used extensively since the invention of lasers. In contrast, Brillouin spectroscopy investigates acoustic phonons. However, for a long time it was only used sporadically in materials science as it was very time-consuming due to the sequential spectrum acquisition. Only recently, the use of a virtually imaged phased array (VIPA) as dispersive element in the Brillouin spectrometer has drastically reduced the measurement time, thus facilitating its application in biomedical research. In this dissertation, a combined Brillouin-Raman system was built, which allows simultaneous and co-localized acquisition of Brillouin and Raman spectra. Compared to other systems, this setup benefits from the use of two VIPAs with different free spectral ranges, which leads to a decoupling of the spectral axes and thus to more sensitive measurements. It further allows for an unambiguous determination of Brillouin shifts. Moreover, the near-infrared excitation at 780 nm and the continuous calibration of the Brillouin spectrum characterize this system. In a first application, ferroelectric domain walls in periodically poled lithium niobate were studied with this combined system. It was found that, in addition to the Raman contrast known from literature (intensity variation at 635 cm−1), the Brillouin spectrum also shows a difference between the domain wall and a bulk domain (decrease of the Brillouin shift). It could be shown that existing theories for the Raman contrast can also be applied to explain the Brillouin contrast. Combined Brillouin-Raman measurements demonstrated that both contrasts can be used for imaging purposes. In a second application, the system was used to characterize the tumor biology of glioblastoma cells. The combination of the two spectroscopic methods allowed the biochemical properties to be correlated with the biomechanical properties. Thus, it could be determined that the nucleus has the highest stiffness within an adherent cell. A comparison between adherent cells and cells grown as spheroid revealed that the latter exhibit significantly higher stiffness, which should be taken into account when choosing a suitable tumor model. In addition, clinically relevant IDH1 mutation was used to show that the genotype of a cell also affects biomechanics. Combined measurements indicated that proteins as well as in an indirect way also lipids significantly influence biomechanical properties. These two applications illustrate the advantages of combining the two spectroscopic techniques. Their non-invasive, non-destructive and preparation-free operation provides the basis for further investigations also in other fields of application.

Microwave materials have been widely used in a variety of applications ranging from communication devices to military satellite services, and the study of materials properties at microwave frequencies and the development of functional microwave materials have always been among the most active areas in solid-state physics, materials science, and electrical and electronic engineering. In recent years, the increasing requirements for the development of high speed, high frequency circuits and systems require complete understanding of the properties of materials function at microwave frequencies. Ferroelectric materials usually have high dielectric constants, and their dielectric properties are temperature and electric field dependent. The change in permittivity as a function of electric field is the key to a wide range of applications. Ferroelectric materials can be used in fabrication capacitors for electronic industry because of their high dielectric constants, and this is important in the trend toward miniaturization and high functionality of electronic products. The simple tunable passive component based on ferroelectric films is a varactor which can be made as a planar structure, and electrically tunable microwave integrated circuits using ferroelectric thin films can be developed. Therefore, it is very important to characterize the dielectric constant and tunability of ferroelectric thin films. This thesis shows experimental results for growth, crystalline properties and microwave characterization of Na0.5K0.5NbO3 (NKN), AgTa0.5Nb0.5O3 (ATN), Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) as well as AgTaO3 (ATO), AgNbO3 (ANO) thin films. The films were grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) and rf-magnetron sputtering of a stoichiometric, high density, ceramic NKN, ATN, BST target onto single crystal LaAlO3(LAO), Al2O3 (sapphire), and Nd:YAlO3, and amorphous glass substrates. By x-ray diffractometry, NKN, ATN, BST films on LAO substrates were found to grow epitaxially, whereas films on r-cut sapphire substrates were found to be preferentially (00l) oriented. Coplanar waveguide interdigital capacitor (CPWIDC) structures were fabricated by standard photolithography processing and metal lift-off technique. Microwave properties of the NKN/Sapphire and ATN/Sapphire with CPW structures were characterized using on-wafer microwave measurement technique. Measurement setup is composed of network analyzer, probe station, and microwave G-S-G probes. External electric field through the connection between network analyzer and power supply was applied to measure voltage tunability. Measured S-parameter were used for the calculation of capacitance, loss tanδ, tunability and K-factor. The NKN films interdigital capacitors with 2 μm finger gap on Nd:YAlO3 showed superior performance compared to ATN in the microwave range from 1 to 40 GHz. Within this range, the voltage tunability (40V, 200 kV/cm) was about 29%, loss tangent ∼ 0.13, K-factor = tunability/tanδ from 152% @ 10GHz to 46% @ 40GHz. The microwave performance of ATN film CPWIDC with 2 μm finger gap on sapphire substrate in the microwave range from 1 to 40 GHz showed that frequency dispersion is about 4.3%, voltage tunability was 4.7% @ 20GHz and 200 kV/cm, loss tangent ∼ 0.068 @ 20GHz, K-factor = tunability/tanδ is ranged from 124% @ 10GHz to 35% @ 40GHz. The BST films CPWIDC with 2μmfinger gap on Al2O3 substrate showed frequency dispersion of capacitance in the microwave range from 1 to 40 GHz about 17%, voltage tunability = 1 - C(40V)/C(0) ∼ 22.2%, loss tangent ∼ 0.137 @ 20GHz, and K-factor = tunability/tanδ from 281% @ 10GHz to 95% @ 40GHz. / QC 20101207

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Les nanostructures et les cristaux photoniques en particulier ont enrichi les possibilités de l'optique guidée : guides d'onde de tailles submicroniques, virages à angle droit, cavités résonnantes, fibres. Associés aux guides d'onde traditionnels, ils devraient permettre une intégration d'un nombre croissant de fonction sur le composant : adressage, filtrage spectral, traitement du signal, capteurs... Cependant, la fabrication de telles structures reste un défi technologique, notamment à cause de la parfaite homogénéité ainsi que de la taille nanométrique des gravures qu'elle nécessite. Dans cette thèse, après en avoir déterminé les différents paramètres par calcul de bande et FDTD, nous proposons deux méthodes de fabrication de nanostructures associées à des guides d'onde basées sur l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé (FIB). Une première méthode permet la gravure des nanostructures par FIB seul, une seconde combine l'action du FIB et de la RIE. Les structures sont réalisées sur des substrats où ont été préalablement déposés les guides d'onde. La fabrication a été validée pour une structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 déposée sur un substrat de Silicium. Des résultats partiels ont été obtenus pour le niobate de lithium, qui est un matériau difficile à nanostructurer par les méthodes habituelles. Enfin un microscope en champ proche optique de type SNOM a été développé dans le but de caractériser les nanostructures, cette méthode étant imposée par le fort confinement de la lumière.

Le niobate de lithium dopé à l'erbium permet de tirer parti des propriétés optiques des ions terre rare et du fort coefficient électro-optique de la matrice. Il constitue ainsi un matériau prometteur pour la réalisation de lasers déclenchés monolithiques émettant vers 1,5 µm. En configuration guidée, l'obtention d'impulsions à forte puissance crête est en particulier envisageable à partir d'un pompage par diode laser du commerce et avec de faibles tensions de commande.<br />Dans cette perspective, un mécanisme prépondérant de réduction du gain aux fortes concentrations de dopant, caractéristique des cristaux dopés dans la masse, a été identifié et une méthode originale développée pour évaluer simplement ses effets de façon quantitative.<br />Ce mémoire souligne l'excellent accord entre les prévisions théoriques du modèle d'amplification optique mis en place puis adapté au cas de guides monomodes et les mesures réalisés sur les composants fabriqués dans le même temps par diffusion de bandes de titane dans des substrats dopés dans la masse et en surface.<br />Ceci a permis d'observer pour la première fois l'effet laser en continu dans des guides d'onde sur niobate de lithium dopé à l'erbium dans la masse et pompés par une diode à 1,48 µm. L'intégration de modulateurs électro-optiques a également conduit à l'observation d'impulsions déclenchées. Pour l'instant limitées par la puissance de pompe disponible, elles devraient pouvoir atteindre plusieurs centaines de watts de puissance crête avec des durées de quelques nanosecondes.

Le développement de sources multi-longueurs d'onde et accordables en longueur d'onde offre l'opportunité de faciliter le déploiement de systèmes de télécommunications par fibres optiques multiplexés en longueur d'onde et d'implanter une reconfiguration des réseaux au niveau optique. Dans ce contexte, le travail proposé étudie un laser à fibre en anneau incluant un amplificateur à fibre dopée erbium, comme milieu à gain, et un filtre de Lyot intégré sur niobate de lithium et accordable par voie électro-optique. Lorsque la commande du filtre est continue, on démontre, expérimentalement et numériquement, que la longueur d'onde d'émission de la source optique peut varier sur 18,8 nm avec des fluctuations de puissance inférieures à 3,6 dB. Par ailleurs, nous observons que la commutation de longueur d'onde est limitée par la réponse du milieu à gain. De plus, nous vérifions que l'emploi intra-cavité d'un modulateur en niobate de lithium permet de créer d'impulsions par mode déclenché ou synchronisation de modes et ne constitue qu'une nouvelle fonctionnalité intégrable sur la puce du filtre. Finalement, nous analysons le comportement du laser lorsque la commande du filtre varie. On parvient ainsi à générer des trains d'impulsions dont chacune possède sa propre longueur d'onde en appliquant des signaux "en escaliers" ou triangulaires de fréquence inférieure à quelques kilohertz. A plus haute fréquence, la modulation de la transmission du filtre par des signaux sinusoïdaux permet de créer des impulsions par un nouveau type de synchronisation de modes.

Microwave materials have been widely used in a variety of applications ranging from communication devices to military satellite services, and the study of materials properties at microwave frequencies and the development of functional microwave materials have always been among the most active areas in solid-state physics, materials science, electrical and electronic engineering. In recent years, the increasing requirements for the development of high speed, high frequency circuits and systems require complete understanding of the properties of materials function at microwave frequencies. Ferroelectric materials usually have high dielectric constant, and their dielectric properties are temperature and electric field dependent. The change in permittivity as a function of electric field is the key to a wide range of applications. Ferroelectric materials can be used to fabricate capacitors for electronic industry because of their high dielectric constant, and this is important in the trend toward miniaturization and high functionality of electronic products. The simple tunable passive component based on ferroelectric films is a varactor which can be made as a planar structure and used for electrically tunable microwave integrated circuits. It is an important task to sinter highly tunable and low loss ferroelectrics, fabricate and test the properties of microwave ferroelectric components. This thesis shows experimental results on growth, crystalline and microwave properties of Na0.5K0.5NbO3 (NKN), AgTa0.5Nb0.5O3 (ATN), Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) as well as AgTaO3 (ATO), and AgNbO3 (ANO) thin films. The films were grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) and rf-magnetron sputtering techniques from stoichiometric high density ceramic NKN, ATN, ATO, ANO and BST targets onto LaAlO3 (LAO), Al2O3 (r-cut sapphire), Nd:YAlO3 single crystals and amorphous glass substrates. Advanced X-ray diffraction examinations showed NKN, ATN, BST films on LAO substrates grow epitaxially, whereas films on r-cut sapphire were found to be preferentially (00l) oriented. Coplanar waveguide 2 µm finger gap interdigital capacitor (CPWIDC) structures were fabricated by photolithography process and metal lift-off technique. On-wafer tests up to 40 GHz were performed to characterize microwave properties of the ferromagnetic film CPWIDC devices. The measurement setup is composed of network analyzer, probe station, and microwave G-S-G probes. External electric field was applied to planar capacitors to measure tunability. Original de-embedding technique has been developed to calculate capacitance, loss tan δ, and tunability of varactors from the measured S-parameters. NKN film interdigital capacitors on Nd:YAlO3 showed superior performance compared to ATN in the microwave range from 1 to 40 GHz. Within this range, the voltage tunability (40V, 200 kV/cm) was about 29%, loss tangent ~ 0.13, K-factor = tunability/tan δ from 152% @ 10GHz to 46% @ 40GHz. The ATN/sapphire CPWIDCs showed the lowest dispersion ~ 4.3% in whole frequency range from 1 to 40 GHz, voltage tunability 4.7% @ 20GHz and 200 kV/cm, lowest loss tangent ~ 0.068 @ 20GHz, K-factor = tunability/tan δ ranged from 124% @ 10GHz to 35% @ 40GHz. BST film CPWIDCs on sapphire showed frequency about 17%, the highest voltage tunability ~ 22.2%, loss tangent ~ 0.137 @ 20GHz, and K-factor = 281% @ 10GHz to 95% @ 40GHz. / QC 20100906

The object of this research was to investigate dispersion in surface phononic crystals (PnCs) for application to a newly developed passive surface acoustic wave (SAW) ozone sensor. Frequency band gaps and slow sound already have been reported for PnC lattice structures. Such engineered structures are often advertised to reduce loss, increase sensitivity, and reduce device size. However, these advances have not yet been realized in the context of surface acoustic wave sensors. In early work, we computed SAW dispersion in patterned surface structures and we confirmed that our finite element computations of SAW dispersion in thin films and in one dimensional surface PnC structures agree with experimental results obtained by laser probe techniques. We analyzed the computations to guide device design in terms of sensitivity and joint spectral operating point. Next we conducted simulations and experiments to determine sensitivity and limit of detection for more conventional dispersive SAW devices and PnC sensors. Finally, we conducted extensive ozone detection trials on passive reflection mode SAW devices, using distinct components of the time dispersed response to compensate for the effect of temperature. The experimental work revealed that the devices may be used for dosimetry applications over periods of several days.

L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.<br />Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de Rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources Télécoms brées à 1560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de Niobate de Lithium périodiquement retourné (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 à 25°C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.

Darbe pristatomi eksperimentiniai bei teoriniai rezultatai, susiję su skaidriųjų terpių lūžio rodiklio pokyčio indukavimu. Parodoma, kad lydytą kvarcą veikiant Yb:KGV lazerine sistema generuojamais impulsais, jame galima sukurti modifikuoto lūžio rodiklio sritis. Šios sritys pasižymi dvejopu šviesos lūžimu, atsirandančiu dėl medžiagos tūryje besiformuojančių nanogardelių, o modifikuotų sričių vienalytiškumas priklauso nuo akumuliacinių efektų. Pakitusio lūžio rodiklio sritis taip pat galima formuoti ir ličio niobato kristale. Priklausomai nuo spinduliuotės parametrų, šiame kristale galima įrašyti stabilius modifikuoto lūžio rodiklio darinius, o taip pat ir nestabilias modifikacijas, atsirandančias dėl fotorefrakcinio reiškinio. Pastarąjį efektą galima panaudoti daugkartiniam informacijos įrašymui. Pademonstruoti efektyvūs fotoniniai elementai, tūrinės Brego gardelės, įrašytos tiek lydyto kvarco, tiek ličio niobato kristalo tūryje. Pateikiama metodika, skirta lazerio indukuoto lūžio rodiklio pokyčiui nustatyti matuojant Brego gardelių difrakcinius efektyvumus. Taip pat tyrinėjama kaip modifikuoti dariniai lemia superkontinuumo ir šviesos gijos formavimosi reiškinius lydytame kvarce. / The study on refractive index modification of transparent materials with ultrashort laser pulses is presented in this dissertation. Based on experimental data it was demonstrated, that using ultrashort pulses, generated with Yb:KGW laser system, it is possible to produce modified refractive index zones in the fused silica glass, that possess birefringence. This effect is caused by nanogratings that form in the bulk of the material. Homogeneity of the modified zones is determined by the accumulation effects, mainly the number of pulses that affect each area. Refractive index variations can be created also in crystalline material such as lithium niobate. Depending on the writing pulse parameters different types of modifications can be created: permanent modification that is caused by crystal amorphization and non-stable modifications that originate from the photorefractive properties of the crystal. Latter modifications can be used for three-dimensional, rewritable data recording. Highly efficient photonic elements, such as volume Bragg gratings, recorded in fused silica and lithium niobate crystal are demonstrated. The technique allowing the evaluation of refractive index change applying Bragg gratings is described. Also modification influence on nonlinear processes that appear in fused silica such as filament formation and supercontinuum generation is experimentally investigated.