Es werden nahfeldoptische Phänomene an Raster-Sonden-Geometrien untersucht. Hierzu zählen die Feldverstärkung an laserbestrahlten Rastersondenspitzen und die Feldverteilung in nahfeldoptischen Apertur- und Koaxialspitzen. Zur Berechnung der Feldverteilung werden verschiedene numerische Verfahren wie die Methode der Randelemente (BEM) und die Methode der Finiten Integration (FIT) angewendet. Die durchgeführten Berechnungen sagen eine erhebliche Feldüberhöhung im Nahfeld von laserbestrahlten Rastersondenspitzen voraus. Es wird diskutiert, ob diese Feldüberhöhung ursächlich für die Modifikation der Oberfläche unter der Sondenspitze verantwortlich ist. Zur weiteren Klärung der Strukturierungsmechanismen wird die Stromantwort des Tunnelübergangs auf Laserbestrahlung experimentell untersucht. Die Detektion des Stromsignals erfolgt mit einem neuen Vorverstärker, der die Eigenschaften einer hohen Eingangsimpedanz, einer hohen Transimpedanz und einer hohen Bandbreite miteinander vereinigt. Weiterhin wird die Feldverteilung in SNOM-Spitzen, insbesondere in den sogenannten Koaxialspitzen, bestimmt. Es wird untersucht wie sich koaxial Moden in koaxialen SNOM-Spitzen anregen lassen und wie sie sich ausbreiten. Ausgehend von bereits existierenden Entwürfen solcher Spitzen wird diskutiert, welche Strukturen sich zur Anregung von koaxialen Moden eignen.

In der Mikrosystemtechnik werden Bauelemente mit mikroskopischen Abmessungen hergestellt. Für Mikrospiegel werden Reflexionsbeschichtungen entwickelt, die den speziellen Anforderungen dieser Substrate genügen. Die Reflexionsschichten werden durch DC- und HF- Magnetronsputtern unter Verwendung der Materialien Aluminium, Silber, Titan, Aluminium-(Silizium1%)-oxid, Aluminium-(Silizium1%)-nitrid und Titanoxid hergestellt. Die Abscheideprozesse der einzelnen Schichten werden detailliert vorgestellt. Die dünnen Schichten werden charakterisiert, wobei der Schwerpunkt auf den Schichtspannungen und auf den optischen Eigenschaften liegt. Als Reflexionsbeschichtungen werden folgende drei Lösungen hergestellt, charakterisiert und miteinander verglichen: 1. Einfache Aluminiumschichten; 2. Aluminium mit einer Vergütung aus Aluminium-(Silizium1%)-oxid und Titanoxid; 3. Silber auf Titan-Haftschicht mit einer Vergütung aus Aluminium-(Silizium1%)-nitrid und Titanoxid. Der Aufbau des Silberschichtsystems stellt eine Eigenentwicklung dar, die auch auf andere Anwendungen übertragbar ist. Die Stabilität der Beschichtungen sowie die Anwendbarkeit auf Mikrospiegeln werden nachgewiesen.

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.

Investigations on pulsed reactive magnetron sputtering processes for the deposition of thin oxide films are presented by means of time-resolved and time-integrated measurements. The pulsed process can be successfully described in terms of a model of Berg et al. for reactive sputtering processes. Time-resolved Langmuir double probe measurements are confirmed using time-resolved optical emission spectroscopy. Combining the results leads to an insight into elementary processes governing the discharge. / Mit Hilfe zeitlaufgelöster und zeitlich mittelnder Methoden wird eine gepulste Magnetronentladung zur reaktiven Abscheidung von Oxidschichten untersucht. Das Modell von Berg et al. zur Beschreibung des Abscheideprozesses lässt sich dabei erfolgreich auf die reaktive Abscheidung mit einem gepulsten Prozess anwenden. Mittels zeitaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie können die Ergebnisse zeitaufgelöster Langmuir-Doppelsondenmessungen bestätigt werden. In Kombination ermöglichen diese Verfahren die Untersuchung von Elementarprozessen in der Entladung.

Gegenstand der Dissertation sind Untersuchungen zur Photolumineszenz von Silizium-Nanokristallen. Den Schwerpunkt bilden dabei die Messungen an isolierten Partikeln mittels konfokaler Mikroskopie und optischer Spektroskopie. Von einzelnen Silizium-Partikeln konnten relativ schmale, strukturierte Photolumineszenzbanden detektiert werden, die die Aussagen des Quantum-Confinement-Modells bestätigen. Ein weiteres Merkmal der Photolumineszenz von einzelnen Halbleiter-Nanopartikeln ist das so genannte Blinken. Die Erstellung von Blinkstatistiken unter verschiedenen Anregungsbedingungen ermöglichte es, die zum Blinken führenden photophysikalischen Prozesse genauer zu charakterisieren. Es wird unter anderem gezeigt, dass das reversible Bleichen der Lumineszenz von Silizium-Nanokristall-Ensemblen und porösem Silizium auf ein instationäres Blinkverhalten zurückzuführen ist. Abschließend werden Bezüge zu den astrophysikalischen Beobachtungen von der Extended Red Emission hergestellt und verschiedene Tunnel- und Random-Walk-Modelle zur Beschreibung der photophysikalischen Prozesse diskutiert.

Amorphous, hydrogenated carbon films (a-C:H) have been prepared in a PECVD device from methane and ethine as the source gases.The aim was to deposit films at high growth rates while keeping high hardness (25 ± 3 GPa). Hardness, hydrogen content and surface roughness were investigated dependent on the process conditions. Further investigation showed, that the mechanical properties of the a-C:H films are determined by the energy of the ions and the ratio between the film forming ion and the film forming neutral fluxes. On the basis of the collected data the optimal deposition conditions were determined and suggestions for further improvement of the deposition were made. / Amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) wurden mittels PECVD-Verfahren abgeschieden, wobei Methan und Ethin als Quellgase verwendet wurde. Ziel war dabei die Abscheidung der Schichten mit hohen Aufwachsraten unter Beibehaltung hoher Härten (25 ± 3 GPa). Härte, Wasserstoffgehalt und Oberflächenrauhigkeit der Schichten wurden in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen untersucht. Weitere Untersuchungen zeigten, daß die mechanischen Eigenschaften der a-C:H Schichten von der Energie der Ionen und dem Verhältnis der schichtbildenden Ionen- und Neutralteilchenflüsse bestimmt werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten können die optimalen Abscheidebedingungen festgelegt, und Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Schichtabscheidung gemacht werden.

Im Bericht werden die Ergebnisse des DFG-Forschungsprojektes unter den DFG-Geschäftszeichen MA1391/17-3 und NE615/1-1 ergänzend zum Abschlussbericht des Projektes ausführlich dargestellt. Inhalt der Forschung war die Weiterentwicklung eines optischen Messverfahrens zur Bestimmung der Drahtvorschubgeschwindigkeit beim MSG-Schweißen mit Integration eines PI-Reglers zur Steuerung der Drahtvorschubeinrichtung. Die in dem Vorgängerprojekt (DFG-Gz. MA1391/17-1) entwickelten schnellen Wavelet-Algorithmen, die eine Auswertung der Videoaufzeichnung in Echtzeit erlauben, wurden weiterentwickelt. Es erfolgte eine große Zahl von Versuchen mit Drähten aus vier Werkstoffgruppen (Aluminium, Kupfer, Stahl und Nickel), unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Formen der Störung des Drahtlaufes. Simuliert wurden weiterhin unterschiedlichen Formen der Verschmutzungen des Videosignals. Die Einsatzfähigkeit und Robustheit des Mess- und Regelalgorithmus unter diesen industrienahen Bedingungen konnte nachgewiesen werden. / In this report the results of the DFG project MA1391/17-3 and NE615/1-1 are summarized and explained in details. The research topic is the further development of an optical method of measuring the speed of welding wire feed for MIG welding. A common PI-Controller was used for regulating the wire feed speed. The fast wavelet algorithms developed in the preceding DFG-Project MA1391/17-1, which allow the analysis of the video camera signal in the real time, have been perfected. The report includes the description and summary of a lot of practical tests with different wire materials (aluminium, steel, cupper and nickel), different feed speeds and different kinds of free wire run perturbations. Several filters simulating the lens pollutions have been tested. The applicability and robustness of measuring and controlling under near to industry conditions have been proved.

Spectroscopic ellipsometry is emerging as a routine tool for in-situ and ex-situ thin-film characterization in semiconductor manufacturing. For interconnects in ULSI circuits, diffusion barriers of below 10&nbsp;nm thickness are required and precise thickness control of the deposited layers is indispensable. In this work, we studied single films of tantalum and two stoichiometries of tantalum nitride as well as TaN/Ta film stacks both on bare and oxidized silicon. Spectroscopic ellipsometry from the UV to the NIR was applied to determine the optical properties of the films for subsequent modeling by a Lorentz-Drude approach. These models were successfully applied to TaN/Ta thin-film stacks where the values of the film thickness could be determined exactly. Moreover, it is shown that considerable differences in the optical properties arise from both film thickness and substrate. <br> <br> ©2006 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE. <br>

Coiled-coil motifs are part of 5–10 % of the eukaryotic proteome and are involved in important cellular processes such as membrane trafficking, chromosome segregation or mechanosensing. Their canonical form is well understood and based on a heptad repeat with hydrophobic amino acids at positions 1 and 4. A sequence of these peptides folds into an α-helix and two, or more, of these helices bind together by winding around each other, covering up the hydrophobic residues and giving rise to the coiled-coil structure. Coiled-coil proteins appearing in nature do, however, deviate from this form by introducing discontinuities into the heptad repeat. The effect of these imperfections on the structure is only known for few cases and not generally understood or predictable. The additional impact of these discontinuities on the dynamic function of coiled-coil domains is unknown altogether. Here, in order to tackle these questions, the adhesive forces between the α-helices are studied in single-molecule experiments. To measure these small forces (∼ pN) with a high spatial and temporal resolution, a dual-trap optical tweezers setup was constructed. Special emphasis was put on realizing the required high resolution, a large degree of automation and versatility during the building process. The instrument’s performance was assessed by recording force-extension curves of DNA yielding results for the molecular parameters persistence length and stretch modulus in good agreement with those found in the literature. Additionally, the Allan deviation was computed for different configurations of beads and a high stability and resolution of the instrument was found with optimal performance on the time scale of 1–10 s. Optical tweezers require calibration to accurately measure forces. To this end, generally a scheme is used that leverages the Brownian motion of a trapped object in the harmonic potential, created by the laser focus, to determine the parameters required to convert the analog voltage signal to distances and forces. However, this approach requires prior knowledge of the bead’s drag coefficient. A method was suggested previously that allows to measure this parameter by exciting the trapped bead through an external fluid flow and observing its response. Yet, this scheme was proposed for single-trap devices only. The precision and versatility of the new instrument was increased by extending this technique to work with two traps and implementing it in the apparatus. To this aim, the underlying equations of a trapped bead’s motion were modified to include hydrodynamic interactions between the objects resulting from the external fluid flow. It was found that a single multiplicative factor is sufficient to correct the calibration results for the hydrodynamic effects and ensure precise calibration. The drag coefficient of several beads yielded the same result for a single and two traps within the measurement error thus confirming the validity of the method. The newly built instrument was then used to study the coiled-coil protein early endosome antigen 1 (EEA1). This 200 nm long homodimer was shown to undergo an entropic collapse upon binding a small GTPase at the N-terminus. For further investigations of this effect and the adhesives forces at play, an experiment was designed here to unzip the two α-helices of the protein. To this end, DNA handles were attached to each of the two helices using a sortase A based ligation reaction as force moderators and first optical tweezers experiments were performed with the protein-DNA chimera. Thus, the necessary tools for unzipping assays of EEA1 are now at hand to further research the entropic collapse process. To summarize, a dual-trap optical tweezers setup was built, the calibration routine extended and realized in a more precise way and the instrument was used to investigate binding energies of EEA1 α-helices. / Coiled-Coil Strukturmotive sind in 5–10 % aller Proteine von Eukaryoten vertreten und wichtiger Teil zellulärer Prozesse wie Membrantransport, Segregation von Chromosomen oder Mechanoperzeption. Ihre grundlegende Struktur besteht aus dem sogenannten Heptadenmuster, einer Sequenz aus sieben Aminosäuren mit hydrophoben Molekülen an Position eins und vier. Eine Reihe dieser Muster kann sich zu einer α-Helix falten und zwei, oder mehr, solcher Helices sich umeinander winden, um die hydrophoben Moleküle abzuschirmen. Das Ergebnis ist eine Coiled-Coil- oder Doppelwendelstruktur. Natürlich vorkommende Coiled-Coil Proteine weichen jedoch durch Fehlstellen im Heptadenmuster von dieser kanonischen Form ab. Die Auswirkung dieser Störstellen auf die Struktur des gesamten Moleküls ist bisher nur für einige wenige Fälle untersucht und nicht allgemein vorstanden oder vorhersagbar. Der zusätzliche Einfluss dieser Fehlstellen auf die Funktion und dynamischen Prozesse solcher Proteine ist gänzlich unbekannt. Um diesen Fragen nachzugehen werden hier die Bindungskräfte zwischen den α-Helices in Einzelmolekülstudien untersucht. Um diese winzigen Kräfte (∼ pN) mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung untersuchen zu können, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine optische Doppelfalle konstruiert. Besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Erreichen der erforderlichen Auflösung, einem hohen Grad an Automatisierung und der vielfälting Einsatzfähigkeit des Instruments. Die Leistungsfähigkeit dieses Kraftmikroskops wurde besonders durch zwei Experimente überprüft und sichergestellt. Zum einen wurden DNA Moleküle gedehnt und die Polymerparameter Persistenzlänge und Zugmodul gemessen, welche sehr gut mit veröffentlichten Referenzwerten übereinstimmten. Zum anderen wurde die Allan Schwankung für verschiedene experimentelle Konfigurationen von mikroskopischen Kugeln ermittelt, was eine hohe Stabilität und Auflösung des Gerätes, mit optimaler Leistung bei Mittelung auf Zeitskalen von 1–10 s, bestätigte. Optische Fallen müssen kalibriert werden, um Kräfte exakt messen zu können. Im Allgemeinen kommt dafür ein Verfahren zum Einsatz, welches die brownsche Bewegung eines gefangenen Objektes im harmonischen Potential des Laserfokus ausnutzt. Aus diesen Fluktuationen werden die benötigten Parameter ermittelt, um das gemessene analoge Spannungssignal in Abstände und Kräfte umzuwandeln. Dieser Ansatz erfordert jedoch die Kenntnis des Reibungskoeffizienten des gehaltenen Objektes, meist einer mikroskopischen Kugel. Daher wurde eine Methode vorgeschlagen, die durch ein oszillierendes Flussfeld eine zusätzliche Bewegung der Kugel anregt aus welcher der Reibungskoeffizient bestimmt werden kann. Dieses Vorgehen reduziert die im vornherein benötigten Informationen, wurde jedoch nur für eine einzelne optische Falle entwickelt. Der Ansatz wurde in dieser Arbeit erweitert, indem die zu zugrundeliegenden Bewegungsgleichungen einer gefangenen Kugel um hydrodynamische Wechselwirkungen zwischen mehreren Objekten ergänzt und die Kalibrationparameter basierend darauf hergeleitet wurden. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass ein einzelner multiplikativer Faktor ausreicht, um die Hydrodynamik zu berücksichtigen und die exakte Kalibration des Instruments sicherzustellen. Dieses Vorgehen wurde überprüft, indem der Reibungskoeffizient einer einzelnen oder mehrerer mikroskopischer Kugeln gleichzeitig durch Anlegen eines externen Flussfeldes gemessen wurde. Die Ergebnisse stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit überein und bestätigen damit den gewählten Ansatz. Das neu implementierte Kraftmikroskop wurde im Folgenden eingesetzt, um das Coiled-Coil Protein Early Endosome Antigen 1 (EEA1) zu erforschen. Dieser 200 nm lange Homodimer kollabiert aufgrund entropischer Kräfte sobald eine kleine GTPase an seinen N-Terminus bindet. Um diesen Effekt und die wirkenden Bindungskräfte besser zu verstehen, wurde hier ein Experiment entwickelt bei dem die beiden α-Helicen auseinandergezogen werden. Dazu wurde mittels einer Sortase A basierten Ligationsreaktion an jede Helix ein DNA-Stück gebunden, über welches Kräfte auf das Molekül übertragen werden können. Erste Experimente wurden mit der optischen Doppelfalle und dieser Protein-DNA Chimäre durchgeführt. Somit sind alle benötigten Werkzeuge zum weiteren Studium des entropischen Kollapses von EEA1 verfügbar, indem die Bindungskräfte der α-Helicen untersucht werden. Zusammenfassend wurde eine hoch auflösende Doppelfalle konstruiert, die Kalibrationsmethode weiterentwickelt und verfeinert und das Kraftmikroskop zur Erforschung der Bindungskräfte der α-Helicen von EEA1 eingesetzt.

While dental caries represents the major chronic disease of humans, visual and tactile inspection are the methods of choice in daily dental practice. Several optical technologies have been developed in recent years for the purpose of dental examination, including near-infrared light transillumination as a promising tool for the supplementation and partial replacement of radiography. In case of occlusal alterations, the incidence of surface discolorations impedes the visual assessment, whereas tactile inspection appears to yield little diagnostic information or might be detrimental. Optical coherence tomography (OCT) facilitates depth-resolved imaging with μm resolution, utilizing near-infrared light, and has already shown its potential for various dental applications. We have recently demonstrated that depolarization imaging utilizing the degree of polarization uniformity (DOPU) extends those abilities by the detection of early carious lesions, as it provides an unambiguous demineralization contrast. Here, we show that this approach also enables the assessment of occlusal enamel lesions in the presence of stains, and compare PS-OCT cross sections with polarized light microscopy (PLM) images of thin sections. For tooth samples with discoloration or demineralization, respectively, PS-OCT and PLM results are in good agreement.