Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1997.

Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Braunschweig.

Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit.opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Regensburg, Univ., Diss., 1995.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Micrometer-sized liquid-crystal (LC) droplets embedded in a polymer matrix may enable optical switching in the composite film through the alignment of the LC director along an external electric field. When a ferroelectric material is used as host polymer, the electric field generated by the piezoelectric effect can orient the director of the LC under an applied mechanical stress, making these materials interesting candidates for piezo-optical devices. In this work, polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) are prepared from poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) and a nematic liquid crystal (LC). The anchoring effect is studied by means of dielectric relaxation spectroscopy. Two dispersion regions are observed in the dielectric spectra of the pure P(VDF-TrFE) film. They are related to the glass transition and to a charge-carrier relaxation, respectively. In PDLC films containing 10 and 60 wt% LC, an additional, bias-field-dependent relaxation peak is found that can be attributed to the motion of LC molecules. Due to the anchoring effect of the LC molecules, this relaxation process is slowed down considerably, when compared with the related process in the pure LC. The electro-optical and piezo-optical behavior of PDLC films containing 10 and 60 wt% LCs is investigated. In addition to the refractive-index mismatch between the polymer matrix and the LC molecules, the interaction between the polymer dipoles and the LC molecules at the droplet interface influences the light-scattering behavior of the PDLC films. For the first time, it was shown that the electric field generated by the application of a mechanical stress may lead to changes in the transmittance of a PDLC film. Such a piezo-optical PDLC material may be useful e.g. in sensing and visualization applications. Compared to a non-polar matrix polymer, the polar matrix polymer exhibits a strong interaction with the LC molecules at the polymer/LC interface which affects the electro-optical effect of the PDLC films and prevents a larger increase in optical transmission. / Mikrometer-große, in eine Polymermatrix eingebettete Flüssigkristall-Tröpfchen können als elektro-optische Lichtventile fungieren, da die Ausrichtung der Flüssigkristalle durch ein externes elektrisches Feld verändert werden kann. Wird nun ein ferroelektrisches Polymer als Matrix verwendet, so kann das durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte und von der äußeren mechanischen Spannung abhängige elektrische Feld den Flüssigkristall ausrichten. Solche Materialien können daher als piezo-optische Lichtventile eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden PDLCs (polymer-dispersed liquid crystals) durch Einbettung von nematischen Flüssigkristallen in Poly(Vinylidenefluoride-Trifluorethylene) (P(VDF-TrFE)) erzeugt. Die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkristall und Polymer wurden mittels dielektrischer Spektroskopie untersucht. Im dielektrischen Spektrum des reinen P(VDF-TrFE) wurden zwei Dispersions-Regionen beobachtet, welche vom Glasübergang und einer Ladungsträgerrelaxation des Polymers herrühren. PDLC Folien mit unterschiedlichen Anteilen von Flüssigkristall-Tröpfchen (10 bzw. 60 Gewichtsprozente) zeigten beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zusatzliche Relaxationseffekte, welche der Bewegung der eingebetteten Flüssigkristall-Moleküle zugeordnet werden konnten. Durch die Einlagerung der Flüssigkristall-Moleküle weist die Struktur eine Relaxation auf, die gegenüber vergleichbaren Prozessen im reinen Flüssigkristall deutlich verlangsamt ist. Des weiteren wurde das elektrooptische und piezo-optische Verhalten der mit 10 und 60 Gewichtsprozent Flüssigkristall geladenen Folien untersucht. Die Lichtstreuung hängt dabei ab von der Fehlanpassung der Brechungsindizes von Polymermatrix und Flüssigkristallen sowie von den Wechselwirkungen der Polymerdipole mit den Flüssigkristall-Molekülen an der Tröpfchenoberfläche. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Lichtdurchlässigkeit der PDLC-Folien durch eine externe mechanische Spannung gesteuert werden kann. Dieser Effekt macht das piezo-optische PDLC-Material für die Verwendung in Optik- und Sensoranwendungen interessant. Im Vergleich mit unpolaren Wirtspolymeren zeigen polare Wirtsmaterialien eine deutlich stärkere Wechselwirkung zwischen den Flüssigkristall-Molekülen an der Polymer/Flüssigkristall-Grenzfläche, welche den elektrooptischen Effekt beeinflusst und so die maximale transmissions änderung reduziert.

Due to the unique environmental conditions and different feedback mechanisms, the Arctic region is especially sensitive to climate changes. The influence of clouds on the radiation budget is substantial, but difficult to quantify and parameterize in models. In the framework of the PhD, elastic backscatter and depolarization lidar observations of Arctic clouds were performed during the international Arctic Study of Tropospheric Aerosol, Clouds and Radiation (ASTAR) from Svalbard in March and April 2007. Clouds were probed above the inaccessible Arctic Ocean with a combination of airborne instruments: The Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) of the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research provided information on the vertical and horizontal extent of clouds along the flight track, optical properties (backscatter coefficient), and cloud thermodynamic phase. From the data obtained by the spectral albedometer (University of Mainz), the cloud phase and cloud optical thickness was deduced. Furthermore, in situ observations with the Polar Nephelometer, Cloud Particle Imager and Forward Scattering Spectrometer Probe (Laboratoire de Météorologie Physique, France) provided information on the microphysical properties, cloud particle size and shape, concentration, extinction, liquid and ice water content. In the thesis, a data set of four flights is analyzed and interpreted. The lidar observations served to detect atmospheric structures of interest, which were then probed by in situ technique. With this method, an optically subvisible ice cloud was characterized by the ensemble of instruments (10 April 2007). Radiative transfer simulations based on the lidar, radiation and in situ measurements allowed the calculation of the cloud forcing, amounting to -0.4 W m-2. This slight surface cooling is negligible on a local scale. However, thin Arctic clouds have been reported more frequently in winter time, when the clouds' effect on longwave radiation (a surface warming of 2.8 W m-2) is not balanced by the reduced shortwave radiation (surface cooling). Boundary layer mixed-phase clouds were analyzed for two days (8 and 9 April 2007). The typical structure consisting of a predominantly liquid water layer on cloud top and ice crystals below were confirmed by all instruments. The lidar observations were compared to European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) meteorological analyses. A change of air masses along the flight track was evidenced in the airborne data by a small completely glaciated cloud part within the mixed-phase cloud system. This indicates that the updraft necessary for the formation of new cloud droplets at cloud top is disturbed by the mixing processes. The measurements served to quantify the shortcomings of the ECMWF model to describe mixed-phase clouds. As the partitioning of cloud condensate into liquid and ice water is done by a diagnostic equation based on temperature, the cloud structures consisting of a liquid cloud top layer and ice below could not be reproduced correctly. A small amount of liquid water was calculated for the lowest (and warmest) part of the cloud only. Further, the liquid water content was underestimated by an order of magnitude compared to in situ observations. The airborne lidar observations of 9 April 2007 were compared to space borne lidar data on board of the satellite Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO). The systems agreed about the increase of cloud top height along the same flight track. However, during the time delay of 1 h between the lidar measurements, advection and cloud processing took place, and a detailed comparison of small-scale cloud structures was not possible. A double layer cloud at an altitude of 4 km was observed with lidar at the West coast in the direct vicinity of Svalbard (14 April 2007). The cloud system consisted of two geometrically thin liquid cloud layers (each 150 m thick) with ice below each layer. While the upper one was possibly formed by orographic lifting under the influence of westerly winds, or by the vertical wind shear shown by ECMWF analyses, the lower one might be the result of evaporating precipitation out of the upper layer. The existence of ice precipitation between the two layers supports the hypothesis that humidity released from evaporating precipitation was cooled and consequently condensed as it experienced the radiative cooling from the upper layer. In summary, a unique data set characterizing tropospheric Arctic clouds was collected with lidar, in situ and radiation instruments. The joint evaluation with meteorological analyses allowed a detailed insight in cloud properties, cloud evolution processes and radiative effects. / Die Arktis mit ihren speziellen Umweltbedingungen ist besonders empfindlich gegenüber Klimaveränderungen. Dabei spielen Wolken eine große Rolle im Strahlungsgleichgewicht, die aber nur schwer genau bestimmt und in Klimamodellen dargestellt werden kann. Die Daten für die Promotionsarbeit wurden im Frühjahr 2007 bei Flugzeug-Messungen von Wolken über dem Arktischen Ozean von Spitzbergen aus erhoben. Das dafür verwendete Lidar (Licht-Radar) des Alfred-Wegener-Instituts lieferte ein höhenaufgelöstes Bild der Wolkenstrukturen und ihrer Streu-Eigenschaften, andere Messgeräte ergänzten optische sowie mikrophysikalische Eigenschaften der Wolkenteilchen (Extinktion, Größenverteilung, Form, Konzentration, Flüssigwasser- und Eisgehalt, Messgeräte vom Laboratoire de Météorologie Physique, France) und Strahlungsmessungen (Uni Mainz). Während der Messkampagne herrschte Nordwind vor. Die untersuchten Luftmassen mit Ursprung fern von menschlichen Verschmutzungsquellen war daher sehr sauber. Beim Überströmen der kalten Luft über den offenen warmen Arktischen Ozean bildeten sich in der Grenzschicht (ca. 0-1500 m Höhe) Mischphasenwolken, die aus unterkühlten Wassertröpfchen im oberen Bereich und Eis im unteren Bereich der Wolken bestehen. Mit den Flugzeug-Messungen und numerischen Simulationen des Strahlungstransports wurde der Effekt einer dünnen Eiswolke auf den Strahlungshaushalt bestimmt. Die Wolke hatte lokal eine geringe Abkühlung der Erdoberfläche zur Folge. Ähnliche Wolken würden jedoch im Winter, wenn keine Sonnenstrahlung die Arktis erreicht, durch den Treibhauseffekt eine nicht vernachlässigbare Erwärmung der Oberfläche verursachen. Die Messungen der Mischphasenwolken wurden mit einem Wettervorhersagemodell (ECMWF) verglichen. Für die ständig neue Bildung von flüssigen Wassertropfen im oberen Teil der Wolke ist das Aufsteigen von feuchten Luftpaketen nötig. Während einer Messung wurden entlang der Flugstrecke verschiedene Luftmassen durchflogen. An der Luftmassengrenze wurde eine reine Eiswolke inmitten eines Mischphasen-Systems beobachtet. Die Messungen zeigen, dass das Mischen von Luftmassen den Nachschub an feuchter Luft blockiert, was unmittelbare Auswirkungen auf die thermodynamische Phase des Wolkenwassers hat. Weiterhin wurde bestimmt, wie groß die Abweichungen der Modellrechnungen von den Messungen bezüglich Wassergehalt und der Verteilung von Flüssigwasser und Eis waren. Durch die vereinfachte Wolken-Parameterisierung wurde die typische vertikale Struktur von Mischphasenwolken im Modell nicht wiedergegeben. Die flugzeuggetragenen Lidar-Messungen vom 9. April 2007 wurden mit Lidar-Messungen an Bord des Satelliten CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) verglichen. Die Messungen zeigten beide eine ansteigende Wolkenobergrenze entlang desselben Flugwegs. Da die Messungen jedoch nicht genau gleichzeitig durchgeführt wurden, war wegen Advektion und Prozessen in den Wolken kein genauer Vergleich der kleinskaligen Wolkenstrukturen möglich. Außerdem wurde eine doppelte Wolkenschicht in der freien Troposphäre (4 km Höhe) analysiert. Die Wolke bestand aus zwei separaten dünnen Schichten aus flüssigem Wasser (je 150 m dick) mit jeweils Eis darunter. Die untere Schicht entstand wahrscheinlich aus verdunstetem Eis-Niederschlag. Diese feuchte Schicht wurde durch die Abstrahlung der oberen Wolkenschicht gekühlt, so dass sie wieder kondensierte. Solche Wolkenformationen sind in der Arktis bisher vor allem in der Grenzschicht bekannt. Ein einzigartiger Datensatz von arktischen Wolken wurde mit einer Kombination verschiedener Flugzeug-Messgeräte erhoben. Zusammen mit meteorologischen Analysen konnten für verschiedene Fallstudien Wolkeneigenschaften, Entwicklungsprozesse und Auswirkungen auf den Strahlungshaushalt bestimmt werden.

In this paper, we analytically describe the parametric amplification in ring resonators using silicon and silicon nitride waveguides. Achievable gain and bandwidth of the ring-based amplifiers are studied taking into account the Kerr nonlinearity for silicon nitride and Kerr nonlinearity as well as two photon absorption and free carrier absorption for silicon waveguides. Both telecom and 2-μm wavelengths are investigated in case of silicon. An approach for obtaining the optimum amplifier design without initiating the comb generation has been introduced. It is shown that there is a trade-off between the input pump and amplifier bandwidth. It is estimated that using optimum designs an amplifier with a gain and bandwidth of 10 dB and 10 GHz could be feasible with silicon ring resonators in 2 μm.

In der vorliegenden Doktorarbeit wird ein Dauerstrich Optisch Parametrischer Oszillator (cw OPO) vorgestellt, der speziell für die hochauflösende Dopplerfreie Molekülspektroskopie und Metrologie entwickelt wurde. Der kontrollierte Zugang zu jeder beliebigen Wellenlänge im breiten Emissionsspektrum von OPOs wie auch das präzise Abstimmen seiner Ausgangsfrequenz über zu untersuchende molekulare und atomare Übergänge stellten lange Zeit Probleme dar, deren Lösung die Grundzielsetzung dieser Arbeit war. Das im Laufe dieser Arbeit entwickelte System hat diese Ziele vollständig erreicht, was durch verschiedene Messungen und Anwendungen demonstriert wurde. Zu diesem Zweck wurde ein neues OPO-Design mit einem Intracavity-Etalon entwickelt und aufgebaut, wobei der OPO auf dem Konzept eines einfach-resonanten cw OPOs mit resonanter Pumpwelle basiert. Die OPO-Ausgangsstrahlung zeigt sehr gute Langzeitstabilität und Spektraleigenschaften, welche durch direkte Frequenzvergleichsmessungen mit einem optischen Methan-Frequenzstandard im Infraroten bestimmt wurden. Eine Idler-Linienbreite von 12 kHz und ein Modensprung-freier Betrieb des OPOs über einen Zeitraum von einigen Tagen wurde beobachtet. Außerdem wurde gezeigt, dass ein OPO zu einer hochstabilen optischen Referenz phasengelockt und somit seine Frequenz sehr genau kontrolliert und durchgestimmt werden kann. Als erste erfolgreiche Anwendung eines OPOs in der Dopplerfreien Spektroskopie wurde ein Aufbau zur Frequenz-Modulationsspektroskopie in Methan realisiert. Weiterhin, wurde der entwickelte cw OPO mit einem femtosekunden optischen Frequenzkamm kombiniert, um eine neue Idee für eine kohärente Verbindung zwischen dem sichtbaren und dem infraroten Spektralbereich zu realisieren. Als erste Demonstration dieser Technologie wurde ein direkter absoluter Frequenzvergleich zwischen einem Jod-stabilisierten Laser bei 532 nm und einem Methan-stabilisierten Laser bei 3390 nm durchgeführt. / This thesis presents a continuous-wave optical parametric oscillator (cw OPO), specially developed for high-resolution Doppler-free molecular spectroscopy and metrology. The basic objective was to solve the long-standing problem of controlled access to any desired wavelength in the wide emission range of OPOs, including the ability to precisely tune the output frequency over the molecular and atomic transitions of interest. The system implemented during this work fully achieves these goals and its performance was demonstrated in various measurements and applications. For this aim, a new design for the OPO cavity with an intracavity etalon was implemented, extending the concept of a cw singly resonant OPO with resonated pump wave. The newly developed device demonstrates very good long-term stability and spectral properties, which were determined in direct beat frequency measurements with a methane infrared optical frequency standard. Thus, an idler radiation linewidth of 12 kHz and mode-hop-free operation of the OPO over several days were observed. Furthermore, it was shown that an OPO can be phase locked to a highly stable optical reference and thus much more precisely controlled and tuned. As the first successful application of OPOs in Doppler-free spectroscopy, a frequency modulation spectroscopy setup for detection of sub-Doppler resonances in methane was implemented. Furthermore, the developed cw OPO was integrated with a femtosecond optical frequency comb to realize a new concept for a coherent link between the visible and infrared spectral ranges. As a first demonstration of this technique, a direct absolute frequency comparison between an iodine stabilized laser at 532 nm and a methane stabilized laser at 3390 nm was performed.

In Medizin und Technik besteht ein Bedarf an flexiblen, miniaturisierten Dosisleistungs-messgeräten mit hoher Ortsauflösung für den Einsatz in Strahlungsfeldern hoher Dosisleistung und Dosisleistungsgradienten. Lichtwellenleiterbasierte Dosisleistungsmess-systeme können diese Anforderungen erfüllen. Sie bestehen aus einem strahlungssensitiven Leuchtstoff, welcher über einen flexiblen Lichtleiter an einen Lichtdetektor gekoppelt ist. Die Eliminierung des dominierenden Störeinflusses, des bei Bestrahlung des Lichtleiters generierten Stem-Effekts, ist eine inhärente Herausforderung aller lichtwellenleiter¬basierten Dosisleistungsmesssysteme. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches System unter Verwendung der Lumineszenz der gewebeäquivalenten Detektormaterialien Berylliumoxid und Lithiumtetraborat realisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung von Methoden der Stem-Eliminierung unter Nutzung der zeitlichen Charakteristik der Lumineszenzmaterialien sowie der zeitlichen Struktur des Strahlungsfeldes oder einer modulierten optischen Stimulation. Eine performante Ausleseelektronik auf FPGA-Basis ermöglicht Echtzeit-Messungen mit einer Abtastung von 10 ns. Verschiedene Auswertemethoden generieren aus den Rohdaten in Zeitstempelform eine stem-unabhängige, dosisleistungsproportionale Detektorantwort. / In medicine and technology there is a demand for flexible, miniaturized dose rate measurement systems with high spatial resolution for the application in radiation fields of high dose rates and dose rate gradients. Fiber optic coupled dosimeters can meet these requirements. They consist of a radiation sensitive luminescent material which is connected to a light detector with a flexible light guide. The elimination of the dominant perturbation, which is the stem effect generated by irradiation of the light guide, is one inherent challenge of all fiber optic dosimeters. In the present work such a system is realized, using the luminescence of the two tissue equivalent detector materials beryllium oxide and lithium tetraborate. The main focus is on the investigation of methods of stem elimination, exploiting the temporal characteristics of the luminescent materials, as well as the time structure of the irradiation or a modulated optical stimulation. For this purpose, capable FPGA-based read out electronics are employed, which enable real time measurements with 10 ns sampling. Different methods of analysis process the time stamp raw data and generate a stem-free, dose rate proportional detector response.