This thesis reassigns the OTe-VCd complex in CdTe and the OSe-VCd complex in CdSe to a sulfur-dioxygen complex SO2*, and the OCd defect in CdSe to a VCdH2 complex using Fourier transformed infrared absorption spectroscopy. The publications of the previous complexes were investigated by theoreticians who performed first-principle calculations of theses complexes. The theoreticians ruled out the assignments and proposed alternative defects, instead. The discrepancy between the experimentally obtained and theoretically proposed defects was the motivation of this work. Two local vibrational modes located at 1096.8 (v1) and 1108.3 cm-1 (v2) previously assigned to an OTeV_Cd complex are detected in CdTe single crystals doped with CdSO4 powder. Five weaker additional absorption lines accompanying v1 and v2 could be detected. The relative intensities of the absorption lines match a sulfur-dioxygen complex SO2* having two configurations labeled v1 and v2. A binding energy difference of 0.5+-0.1meV between the two configurations and an energy barrier of 53+-4 meV separating the two configurations are determined. Uniaxial stress applied to the crystal leads to a splitting of the absorption lines which corresponds to an orthorhombic and monoclinic symmetry for v1 and v2, respectively. In virgin and oxygen-doped CdSe single crystals, three local vibrational modes located at 1094.1 (gamma_1), 1107.5 (gamma_2), and 1126.3 cm-1 (gamma_3) previously attributed to an OSe-VCd complex could be observed. The signals are accompanied by five weaker additional absorption features in their vicinity. The additional absorption lines are identified as isotope satellites of a sulfur-dioxygen complex SO2* having three configurations gamma_1, gamma_2, and gamma_3. IR absorption measurements with uniaxial stress applied to the CdSe crystal yield a monoclinic C1h symmetry for gamma_1 and gamma_2. The SO2* complex is stable up to 600 C. This thesis assigns the v- lines in CdTe and gamma-lines in CdSe to local vibrational modes of a sulfur-dioxygen complex SO2*. A hydrogen-doped CdSe single crystal exhibits two absorption lines at 1992 (SeH$_\\parallel$) and 2001 cm-1 (SeH$_\\perp$). Both signals show a red-shift in frequency to 1454 (SeD$_\\parallel$) and 1461 cm-1 (SeD$_\\perp$) when hydrogen is replaced by deuterium. This frequency shift in combination with the fine structure of the absorption lines arising from Se isotopes yields a VCdH2 defect giving rise to SeH$_\\parallel$ and SeH$_\\perp$. This contradicts the previously assignment of the two absorptions lines to an OCd defect. The SeH$_\\parallel$ and SeH$_\\perp$ vibrational modes are found to be aligned parallel and perpendicular to the c-axis of the crystal, respectively. The VCdH2 defect is stable up to a temperature of 525 C.

A major goal in biological imaging is to visualize interactions of different tissues, often fluorescently labeled, during dynamic processes. Only a few of these labels fit into the available spectral range without overlap, but can be separated computationally if the full spectrum of every single pixel is known. In medical imaging, hyperspectral techniques show promise to identify different tissue types without any staining. Yet, microscopists still commonly acquire spectral information either with filters, thus integrating over a few broad bands only, or point-wise, dispersing the spectra onto a multichannel detector, which is inherently slow. Light sheet fluorescence microscopy (LSFM) and optical projection tomography (OPT) are two techniques to acquire 3D microscopic data fast, photon-efficiently and gently on the specimen. LSFM works in fluorescence mode and OPT in transmission. Both are based on a fast widefield detection scheme where a 2D detector records the spatial information but leaves no room to acquire dispersed spectra. Hyperspectral imaging had not yet been demonstrated for either technique. In this work, I developed a line-scanning hyperspectral LSFM and an excitation scanning OPT to acquire 5D data (3D spatial, 1D temporal, 1D spectral) and optimized the performance of both setups to minimize acquisition times without sacrificing image contrast, spatial or spectral information. I implemented and assessed different evaluation pipelines to classify and unmix relevant features. I demonstrate the efficiency of my workflow by acquiring up to five fluorescent markers and the autofluorescence in \\zf and fruit fly embryos on my hyperspectral LSFM. I extracted both concentration maps and spectra for each of these fluorophores from the multidimensional data. The same methods were applied to investigate the transmission data from my spectral OPT, where I found evidence that OPT image formation is governed by refraction, whereas scattering and absorption only play a minor role. Furthermore, I have implemented a robust, educational LSFM on which laymen have explored the working principles of modern microscopies. This eduSPIM has been on display in the Technische Sammlungen Dresden for one year during the UNESCO international year of light. / Ein wichtiges Ziel biologischer Bildgebung ist die Visualisierung des Zusammenspiels von verschiedenen, meist fluoreszent markierten, Geweben bei dynamischen Prozessen. Nur wenige dieser Farbstoffe passen ohne Überlapp in das zur Verfügung stehende Spektrum. Sie können jedoch rechnerisch getrennt werden, wenn das gesamte Spektrum jedes Pixels bekannt ist. In medizinischen Anwendungen versprechen hyperspektrale Techniken, verschiedene Gewebetypen markierungsfrei zu identifizieren. Dennoch ist es in der Mikroskopie noch immer üblich, spektrale Information entweder mit Filtern über breiten Bändern zu integrieren, oder Punktspektren mithilfe von Dispersion zu trennen und auf einem Multikanaldetektor aufzunehmen, was inhärent langsam ist. Light Sheet Fluorescence Microscopy (LSFM) und Optical Projection Tomography (OPT) nehmen 3D Mikroskopiedaten schnell, photoneneffizient und sanft für die Probe auf. LSFM arbeitet mit Fluoreszenz, OPT in Transmission. Beide basieren auf schneller Weitfelddetektion, wobei die räumliche Information mit einem 2D Detektor aufgenommen wird, der keinen Raum lässt, um die getrennten Spektren zu messen. Hyperspektrale Bildgebung wurde bis jetzt für keine der zwei Techniken gezeigt. Ich habe ein hyperspektrales LSFM mit Linienabtastung und ein OPT mit Wellenlängenabtastung entwickelt, um 5D Daten (3D räumlich, 1D zeitlich, 1D spektral) aufzunehmen. Beide Aufbauten wurden hinsichtlich minimaler Aufnahmezeit optimiert, ohne dabei Kontrast, räumliche oder spektrale Auflösung zu opfern. Ich habe verschiedene Abläufe zum Klassifizieren und Trennen der Hauptkomponenten implementiert. Ich nehme bis zu fünf Fluorophore und Autofluoreszenz in Zebrafisch- und Fruchtfliegenembryos mit dem hyperspektralen LSFM auf und zeige die Effizienz des gesamten Ablaufes, indem ich Spektren und räumliche Verteilung aller Marker extrahiere. Die Transmissionsdaten des spektralen OPT werden mit denselben Methoden untersucht. Ich konnte belegen, dass die Bildformation im OPT massgeblich von Brechung bestimmt ist, und Streuung und Absorption nur einen geringen Beitrag leisten. Außerdem habe ich ein robustes, didaktisches LSFM gebaut, damit Laien die Funktionsweise moderner Mikroskopie erkunden können. Dieses eduSPIM war ein Jahr lang in den Technischen Sammlungen Dresden ausgestellt.

Für technische Zerstäubungsprozesse wird häufig eine Flüssigkeitsmenge durch die kinetische Energie eines Hochgeschwindigkeitsgases in einem Luftstromzerstäuber in Einzeltropfen dispergiert. In einem Prefilming-Luftstromzerstäuber befindet sich die zu zerstäubende Flüssigkeit zuerst auf einer Oberfläche (Prefilming-Oberfläche) um einen dünnen Flüssigkeitsfilm zu bilden, bevor sie einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom ausgesetzt wird. Das erste Ziel dieser Untersuchungen ist, den Zerstäubungsmechanismus der Prefilming-Zerstäuber zu verstehen und den Effekt variierender Parameter des Sprühsystems beim Zerfallsmechanismus zu ermitteln. Zerfallsregime in der Nähe des Zerstäuberauslasses wurden mittels Schattenverfahren und begleitend durch Partikelverfolgung bestimmt. Im nächsten Schritt wird die Sprühleistung des Prefilming-Luftstromzerstäubers in einer Reihe von Testbedingungen charakterisiert. Die Sprühcharakterisierung wurde mittels Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) durchgeführt um den Einfluss verschiedener Parameter auf die lokale Tropfengröße und Geschwindigkeit im Spray zu untersuchen. Zuletzt werden Zukunftsansätze zu Entwicklung und Design eines Prefilming-Luftstromzerstäubers aufgezeigt. Um einen einzigartigen funktionellen Zusammenhang der experimentellen Daten zu entwickeln, wurde eine Dimensionsanalyse durchgeführt. Darauffolgend zeigt der Einfluss von zwei dimensionslosen Kennzahlen unterschiedliche Sensitivitäten in Abhängigkeit vom Druckbereich und es wurde durch Anpassen der Daten eine geeigneten Korrelationsfunktion hergeteiltet. / A bulk of liquid dispersed into single droplets using the kinetic energy of a high-velocity gas in an air-blast atomizer is frequently employed in technical atomization processes. In a prefilming air-blast atomizer, the atomizing liquid is primary situated on a surface (prefilming surface) to form a thin liquid film before exposing to a high-velocity air flow. The first purpose of this study is to understand atomization mechanisms close to prefilming atomizers and to determine the effect of spray system parameter variations on breakup mechanisms. Breakup regimes in the vicinity of the atomizer exit were determined using the shadowgraphy technique associated with particle tracking. In a next step, the spray performance of prefilming air-blast atomizers are characterized in a wide range of test conditions. For the spray characterization, a phase Doppler anemometry (PDA) was utilized to investigate the influence of variable parameters on the local droplet size and velocity in a spray. Finally, prediction approaches are determined for the development and design of a prefilming air-blast atomizer. In order to develop a unique functional relationship from experimental data, a dimensional analysis has been performed. Subsequently, the influence of two main nondimensional numbers shows different sensitivities depending on the pressure range and was quantified by fitting the data to appropriate correlation functions.

Die Innenraumpositionierung kommt in der heutigen Zeit immer mehr Aufmerksamkeit zu teil. Neben der Navigation durch das Gebäude sind vor allem Location Based Services von Bedeutung, welche Zusatzinformationen zu spezifischen Objekten zur Verfügung stellen Da für eine Innenraumortung das GPS Signal jedoch zu schwach ist, müssen andere Techniken zur Lokalisierung gefunden werden. Neben der häufig verwendeten Positionierung durch Auswertung von empfangenen Funkwellen existieren Methoden zur optischen Lokalisierung mittels Landmarken. Das kamerabasierte Verfahren bietet den Vorteil, dass eine oft zentimetergenaue Positionierung möglich ist. In dieser Masterarbeit erfolgt die Bestimmung der Position im Gebäude mittels Detektion von ArUco-Markern und Türschildern aus Bilddaten. Als Evaluationsgeräte sind zum einen die Kinect v2 von Microsoft, als auch das Lenovo Phab 2 Pro Smartphone verwendet worden. Neben den Bilddaten stellen diese auch mittels Time of Flight Sensoren generierte Tiefendaten zur Verfügung. Durch den Vergleich von aus dem Bild extrahierten Eckpunkten der Landmarke, mit den aus einer Datenbank entnommenen realen geometrischen Maßen des Objektes, kann die Entfernung zu einer gefundenen Landmarke bestimmt werden. Neben der optischen Distanzermittlung wird die Position zusätzlich anhand der Tiefendaten ermittelt. Abschließend werden beiden Verfahren miteinander verglichen und eine Aussage bezüglich der Genauigkeit und Zuverlässigkeit des in dieser Arbeit entwickelten Algorithmus getroffen. / Indoor Positioning is receiving more and more attention nowadays. Beside the navigation through a building, Location Bases Services offer the possibility to get more information about certain objects in the enviroment. Because GPS signals are too weak to penetrate buildings, other techniques for localization must be found. Beneath the commonly used positioning via the evaluation of received radio signals, optical methods for localization with the help of landmarks can be used. These camera-based procedures have the advantage, that an inch-perfect positioning is possible. In this master thesis, the determination of the position in a building is chieved through the detection of ArUco-Marker and door signs in images gathered by a camera. The evaluation is done with the Microsoft Kinect v2 and the Lenovo Phab 2 Pro Smartphone. They offer depth data gained by a time of flight sensor beside the color images. The range to a detected landmark is calculated by comparing the object´s corners in the image with the real metrics, extracted from a database. Additionally, the distance is determined by the evaluation of the depth data. Finally, both procedures are compared with each other and a statement about the accuracy and responsibility is made.

In der vorliegenden Arbeit werden optische Schichteigenschaften von Zirren durch räumlich und zeitlich kombinierte flugzeuggetragene Messungen zusammen mit Strahlungstransfersimulationen untersucht. Diese räumlich koordinierten Strahlungs– und Mikrophysikmessungen oberhalb, unterhalb und innerhalb des Zirrus werden mittels eines Forschungsflugzeuges (Learjet 35A) in Kombination mit einem Schleppkörper namens AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle) realisiert. AIRTOSS wird dabei vom Flugzeug aus mittels einer Winde abgelassen und wieder eingeholt. Die maximale Seillänge beträgt 4 km. Im Rahmen des AIRTOSS–ICE–Projekts (Inhomogeneous Cirrus Experiment) wurden während zweier Messkampagnen über der Nord– und Ostsee im Frühjahr und Spätsommer 2013 flugzeuggetragene Beobachtungen der Zirruseigenschaften durchgeführt. Beispielmessungen eines Messfluges werden in dieser Arbeit gezeigt, welche den Nutzen der simultanen Strahlungsmessungen mittels zweier Messplattformen aufzeigen. Aus den Messungen der spektralen Flussdichten oberhalb und unterhalb des Zirrus werden die optischen Schichteigenschaften wie Transmissivität, Reflektivität und Absorptivität und die Albedo der Wolkenschicht ermittelt. Die flugzeuggetragenen Untersuchungen werden durch Sensitivitätsstudien gestützt, basierend auf einem eindimensionalen Strahlungstransfermodell. Dies dient der Charaktierisierung des Einflusses variierender, optischer und mikrophysikalischer Zirruseigenschaften (Eiskristallform, Partikelgröße und optische Dicke) auf die optischen Schichteigenschaften und den solaren Strahlungsantrieb des Zirrus. Weitere Studien zeigen den Einfluss einer darunterliegenden Flüssigwasserwolke auf die Zirruseigenschaften. Eine niedrige Wolkenschicht führt zu Abweichungen der Schichteigenschaften des Zirrus von 85%. Die Nichtberücksichtigung niedriger Wolken unterhalb einer Zirrusschicht führt zu einer deutlichen Überschätzung des Strahlungsantriebs des Zirrus um Faktor 5. / In this thesis cirrus optical layer properties are investigated by truly collocated measurements and supplementary radiative transfer simulations. The close collocation of the radiative and microphysical measurements, above, beneath and inside the cirrus, is obtained by using a research aircraft (Learjet 35A) in tandem with a towed platform called AIRTOSS (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle). AIRTOSS can be released from and retracted back to the research aircraft by means of a cable up to a distance of 4 km. Data were collected in two field campaigns above the North and Baltic Sea in spring and late summer 2013 in the framework of the AIRTOSS–ICE (AIRTOSS – Inhomogeneous Cirrus Experiment) project. Exemplary, results from one measuring flight are discussed also to illustrate the benefits of collocated sampling. The spectral optical layer properties of cirrus are derived from simultaneous and vertically collocated measurements of spectral upward and downward solar irradiance above and below the cloud layer and concurrent in situ microphysical sampling of the ice particle size distributions. From the irradiance data the optical layer properties (transmissivity, reflectivity, and absorptivity) and the cloud top albedo of the observed cirrus layer are obtained. These airborne observations are supported by sensitivity studies using one–dimensional radiative transfer modelling to characterize the effect of varying cirrus optical and microphysical properties (ice crystal shape, particle size, and cloud optical thickness) on the cirrus optical layer properties, as well as on the solar cirrus radiative forcing. Further studies show the impact of an underlying low–level liquid water cloud on the mentioned cirrus properties. A low–level cloud causes differences in the layer properties of the cirrus by 85%. If low–level clouds below cirrus are not considered the solar cooling due to the cirrus is significantly overestimated by up to a factor of 5.

In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Systemtoleranz optischer Übertragungssysteme theoretisch analysiert, durch numerische Simulationen untersucht und in Experimenten und Feldversuchen praktisch überprüft. Der Schwerpunkt lag dabei auf empfängerseitigen elektronischen sowie optischen Entzerrern. Diese Entzerrer verbessern die Signalübertragung, in dem sie die Augenöffnung des Signals am Empfänger vergrößern oder in dem sie durch digitale Logikschaltungen das gesendete Signal aus einem gestörten Signal rekonstruieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch auf der Untersuchung der Entzerrer auf Systemebene, d.h. es wird das Verhalten in einem kompletten optischen Übertragungssystem bestehend aus Sender, Glasfaserstrecke und Empfänger bewertet. Zur Untersuchung wurde eine Simulationsumgebung in der Programmiersprache FORTRAN erstellt, in der die unterschiedlichen Entzerrer in verschiedenen Netz-Szenarien untersucht wurden. Zur praktischen Untersuchung wurde außerdem eine Testumgebung im verlegten Glasfasernetz aufgebaut und eine Realisierung eines Entzerrers experimentell untersucht.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundaufbau und Komponenten optischer Übertragungssysteme 3 2.1 Optische Sender 4 2.2 Das Übertragungsmedium Glasfaser 9 2.3 Optische Faserverstärker 22 2.4 Optische Empfänger und Signalauswertung 24 3 Filterstrukturen und Polynomsysteme 29 3.1 Digitalfilter 29 3.2 Optische Filter 30 3.3 Volterra-Systeme 33 4 Elektronische Entzerrung zur Erhöhung der Systemtoleranz 35 4.1 Klassische Entzerrer 35 4.2 Nichtlineare Entzerrer basierend auf Volterra-Systemen 41 4.3 Maximum Likelihood Sequence Estimation 45 5 Optische Entzerrung und Kompensation 49 5.1 Dispersionskompensationsfasern 49 5.2 Optische FIR-Filter 50 6 Entzerrung in unkompensierten Übertragungssystemen 61 6.1 Prinzipieller Vergleich der Entzerrer bei linearer Übertragung 61 6.2 Entzerrung unter Berücksichtigung nichtlinearer Fasereffekte 78 7 Entzerrung in dispersionskompensierten Übertragungssystemen 87 7.1 Ausgleich einer DCF-Fehlanpassung 87 7.2 Entzerrung von Restdispersion 93 8 Gleichzeitige Entzerrung mehrerer Fasereffekte 97 8.1 Simulation der Entzerrung durch MLSE-Entzerrer 97 8.2 Experimentelle Untersuchung von MLSE-Entzerrern im Feldversuch 99 9 Alternative Verfahren zur Erhöhung der Systemtoleranz 113 9.1 Optisches Subcarrier-Multiplexing 113 9.2 Gezielter Austausch von Glasfasern mit hoher PMD 117 10 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 121 Literaturverzeichnis 123 Verzeichnis der im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Veröffentlichungen 133 Anhang A 137 Anhang B 138 / In this thesis, several methods for the enhancement of the tolerance of optical transmission systems are analyzed theoretically, investigated in numerical simulations and evaluated in experiments and field trials. The investigations were thereby focused on receiver sided electronic and optical equalizers. Those devices improve the signal transmission by increasing the eye-opening at the receiver or by reconstructing the original signal from the distorted received signal by the use of digital signal processing. However, this thesis is focused on the investigation of different equalizers on a system level where the performance of a complete transmission system consisting of a transmitter, transmission fiber and receiver is evaluated. For those studies a simulation environment was created using the programming language FORTRAN where the different equalizers were evaluated in different network scenarios. For practical investigations, a test environment was created using the deployed fiber infrastructure and specific equalizer realization were evaluated experimentally.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundaufbau und Komponenten optischer Übertragungssysteme 3 2.1 Optische Sender 4 2.2 Das Übertragungsmedium Glasfaser 9 2.3 Optische Faserverstärker 22 2.4 Optische Empfänger und Signalauswertung 24 3 Filterstrukturen und Polynomsysteme 29 3.1 Digitalfilter 29 3.2 Optische Filter 30 3.3 Volterra-Systeme 33 4 Elektronische Entzerrung zur Erhöhung der Systemtoleranz 35 4.1 Klassische Entzerrer 35 4.2 Nichtlineare Entzerrer basierend auf Volterra-Systemen 41 4.3 Maximum Likelihood Sequence Estimation 45 5 Optische Entzerrung und Kompensation 49 5.1 Dispersionskompensationsfasern 49 5.2 Optische FIR-Filter 50 6 Entzerrung in unkompensierten Übertragungssystemen 61 6.1 Prinzipieller Vergleich der Entzerrer bei linearer Übertragung 61 6.2 Entzerrung unter Berücksichtigung nichtlinearer Fasereffekte 78 7 Entzerrung in dispersionskompensierten Übertragungssystemen 87 7.1 Ausgleich einer DCF-Fehlanpassung 87 7.2 Entzerrung von Restdispersion 93 8 Gleichzeitige Entzerrung mehrerer Fasereffekte 97 8.1 Simulation der Entzerrung durch MLSE-Entzerrer 97 8.2 Experimentelle Untersuchung von MLSE-Entzerrern im Feldversuch 99 9 Alternative Verfahren zur Erhöhung der Systemtoleranz 113 9.1 Optisches Subcarrier-Multiplexing 113 9.2 Gezielter Austausch von Glasfasern mit hoher PMD 117 10 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 121 Literaturverzeichnis 123 Verzeichnis der im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Veröffentlichungen 133 Anhang A 137 Anhang B 138

Shape and size control as well as the control of the assembly of nanostructures are current challenges in nano sciences. Focussing on metal nanostructures all of these aspects have been addressed in the frame of the present work. It was possible to develop a new aqueous seeded growth method that produces gold nanoparticles with adjustable diameters over a large range of sizes. The spherical particles obtained show very low polydispersities and a good long term stability. Furthermore it was possible to reveal the growth mechanism of these particles utilizing electron microscopy and optical investigations coupled with theoretical calculations. It was found that there is a formation of small nucleation sites on the surface of the seeds in the beginning of the growth process. These sites then subsequently grow into "blackberry-like" intermediate particles. A final intraparticle ripening step leads to smooth and uniform spherical gold nanoparticles. By correcting the dielectric function of gold for charging and the free mean path effect and taking into account the particle size distribution it was possible to accurately model the optical properties of the gold sols obtained using Mie theory. By controlling the concentration of chloride ions it was possible to influence both the ripening of the "blackberry-like" shaped particles and the morphology of gold nanoparticles. An increased concentration of the chloride ions in the standard citrate reduction procedure leads to larger and elongated particles, whereas the complete removal of the chloride ions made it possible to obtain star shaped, decahedral and \"desert-rose\" shaped particle morphologies. Using the layer-by-layer technique gold nanoparticles of different sizes could be immobilized on glass substrates. The surface-enhanced Raman scattering intensity of these mixed films were about 60% higher than compared to a film made of a single particle size. The optical properties were further investigated by comparing experimentally obtained UV/Vis spectra with generalized Mie theory simulations. Additionally it could be shown that tetrazole and its derivatives are suitable stabilizing agents in the aqueous synthesis of silver nanoparticles. It was found that depending on the tetrazole derivative used the tendencies of the nanoparticles to agglomerate vary significantly. Different agglomeration stages have been investigated by UV/Vis and Raman spectroscopy. The removal of the ligands used and a resulting improvement of the applicability of the silver nanostructures as SERS substrates is still a challenge. In the last part of this work the focus was changed from the optical properties of noble metal nanoparticles to their catalytic properties. Therefore gold and palladium nanoparticles have been successfully immobilized on highly porous zinc oxide aerogels. It was possible to synthesize sponge-, flake-, and ribbon-like zinc oxide gels with high specific surface areas. The facile approach of generating mixed metal oxide/noble metal aerogels is very promising for the preparation of highly selective and highly active heterogenous catalysts. First catalytic investigations of a sponge-like palladium loaded zinc oxide aerogel toward the semi-hydrogenation of acetylene showed very high selectivities of up to 85%.

Optical tweezers are a sensitive position and force transducer widely employed in physics and biology. In a focussed laser, forces due to radiation pressure enable to trap and manipulate small dielectric particles used as probes for various experiments. For sensitive biophysical measurements, microspheres are often used as a handle for the molecule of interest. The force range of optical traps well covers the piconewton forces generated by individual biomolecules such as kinesin molecular motors. However, cellular processes are often driven by ensembles of molecular machines generating forces exceeding a nanonewton and thus the capabilities of optical tweezers. In this thesis I focused, fifirst, on extending the force range of optical tweezers by improving the trapping e fficiency of the probes and, second, on applying the optical tweezers technology to understand the mechanics of molecular motors. I designed and fabricated photonically-structured probes: Anti-reflection-coated, high-refractive-index, core-shell particles composed of titania. With these probes, I significantly increased the maximum optical force beyond a nanonewton. These particles open up new research possibilities in both biology and physics, for example, to measure hydrodynamic resonances associated with the colored nature of the noise of Brownian motion. With respect to biophysical applications, I used the optical tweezers to study the mechanics of single kinesin-8. Kinesin-8 has been shown to be a very processive, plus-end directed microtubule depolymerase. The underlying mechanism for the high processivity and how stepping is affected by force is unclear. Therefore, I tracked the motion of yeast (Kip3) and human (Kif18A) kinesin-8s with high precision under varying loads. We found that kinesin-8 is a low-force motor protein, which stalled at loads of only 1 pN. In addition, we discovered a force-induced stick-slip motion, which may be an adaptation for the high processivity. Further improvement in optical tweezers probes and the instrument will broaden the scope of feasible optical trapping experiments in the future.

This thesis examines and exploits the optical properties of pairs of MNPs. Pairs of MNPs offer two further parameters not existent at single MNPs, which both affect the local optical fields in their vicinity: the distance between them, and their relative orientation with respect to the polarisation of the excitation light. These properties are subject of three chapters: One section examines the distance-dependent and orientation-sensitive scattering cross section (SCS) of two equally sized MNPs. Both near- and far-field interactions affect the spectral position and spectral width of the SCS. Far-field coupling affects the SCS even in such a way that a two-particle system may show both a blue- and redshifted SCS, depending only on the distance between the two MNPs. The maximum distance for this effect is the coherence length of the illumination source – a fact of importance for SCS-based experiments using laser sources. Another part of this thesis examines the near-field between two MNPs and the dependence of the locally enhanced field on the relative particle orientation with respect to the polarisation of the excitation light. To attain a figure of merit, the intensity of fluorescence light from dye molecules in the surrounding medium was measured at various directions of polarisation. The field enhancement was turned into fluorescence enhancement, even providing a means for sensing the presence of very small MNPs of 12 nm in diameter. In order to quantify the near-field experimentally, a different technique is devised in a third section of this thesis – scanning particle-enhanced Raman microscopy (SPRM). This device comprises a scanning probe carrying an MNP which in turn is coated with a molecule of known Raman signature. By manoeuvring this outfit MNP into the vicinity of an illuminated second MNP and by measuring the Raman signal intensity, a spatial mapping of the field enhancement was possible. / Diese Dissertation untersucht und nutzt die optischen Eigenschaften von Paaren von Metall-Nanopartikeln (MNP). MNP-Paare bieten gegenüber einzelnen MNP zwei weitere Parameter, welche beide auf das optische Nahfeld der zwei MNPs wirken: zum Einen der Abstand der zwei MNPs zueinander, zum Anderen die relative Ausrichtung des Paares bezüglich der Polarisation des anregenden Lichts. Diese Eigenschaften sind Thema der Arbeit: Ein Abschnitt untersucht den abstands- und orientierungsabhängigen Streuquerschnitt (SQS) zweier gleichgroßer MNPs. Die spektrale Position und die Breite des SQS wird von Wechselwirkungen sowohl im Nah- als auch im Fernfeld beeinflusst. Der Einfluß der Fernfeld-Wechselwirkung geht so weit, daß ein Zwei-MNP-System sowohl einen blau- als auch einen rotverschobenen SQS haben kann – dies hängt lediglich vom Abstand der zwei MNPs ab. Die Reichweite dieser Fernfeld-Wechselwirkung wird durch die Kohärenzlänge der Beleuchtungsquelle bestimmt – eine wichtige Tatsache für SQS-Untersuchungen, welche Laserquellen verwenden. Ein weiterer Teil der Dissertation untersucht das Nahfeld zwischen zwei MNPs. Insbesondere wird dargestellt, inwieweit die Überhöhung des Nahfelds von der Orientierung des Partikelpaares bezüglich der Polarisation des Anregungslichts abhängt. Um den Effekt quantifizieren zu können, wurde die Intensität der Fluoreszenz des umgebenden Mediums für verschiedene Polarisationsrichtungen gemessen. Die lokale Feldverstärkung konnte in eine Fluoreszenzverstärkung gewandelt werden, mit deren Hilfe sich sogar die Anwesenheit sehr kleiner MNPs von nur 12 nm Durchmesser nachweisen ließ. Wie Nahfeld-Intensitäten experimentell quantifiziert werden können, stellt ein dritter Abschnitt dieser Dissertation vor – per MNP-verstärkter Raman-Rastersonden-Mikroskopie. Diese Technik besteht aus einer Rastersonde, welcher ein MNP anheftet, welches wiederum mit einem Molekül bekannter Ramansignatur überzogen ist. Indem solch eine Sonde in die unmittelbare Nähe eines zweiten, beleuchteten MNPs gebracht wurde und dabei die Intensität des Raman-Signals aufgezeichnet wurde, ließ sich die räumliche Verteilung der Ramanverstärkung vermessen.

Dotierung ist ein technologisches Schlüsselverfahren zur Kontrolle der Ladungsträgerdichte und der Position des Fermi-Levels in Halbleitern. Für organische Halbleiter hat sich die Verwendung von starken molekularen Elektronenakzeptoren und -donatoren als p- bzw. n-Dotanten als zuverlässigster Ansatz erwiesen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Reihe von Themen im Zusammenhang mit der molekularen Dotierung von organischen Halbleitern untersucht. Zuerst wird die Eignung zweier verschiedener Materialparameter zur Vorhersage der Ionenpaarbildung bei der molekularen Dotierung überprüft: i) Redox-Potentiale, gemessen durch Cyclovoltammetrie (CV), und ii) Ionisationsenergie (IE) / Elektronenaffinität (EA), gemessen mittels (inverser) Photoelektronenspektroskopie (PES/IPES). Optische Absorptionsmessungen zeigen, dass Redox-Potentiale besser geeignet sind passende Materialpaare zu identifizieren als IE/EA-Werte. Zweitens wird die n-Dotierung eines prototypischen, p-artigen Co-Polymers durch metallorganische Dimere erforscht. Eine Kombination von PES/IPES, optischen Absorptions- und Leitfähigkeitsmessungen zeigt, dass das p-Polymer durch Dotierung zu einem n-Polymer transformiert werden kann. Drittens wird die p-Dotierung des Polymers P3HT durch ein bor-basiertes organisches Salz analysiert. Ein multi-experimenteller Ansatz zeigt die Bildung von Polaronen bei niedrigen und von Bipolaronen bei hohen Dotanten-Konzentrationen von über zehn Prozent. Zuletzt wird die Modifikation von elektronenselektiven Kontakten in organisch-anorganischen Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen (PSCs) untersucht, um Elektronensammel-Verluste zu minimieren. Hierzu wird eine Zwischenschicht aus metallorganischen Dimeren zwischen Elektrode und org. Elektronentransportschicht (ETL) eingebracht, um einen ohmschen Kontakt herzustellen. PSCs, die aus derart modifizierten elektronenselektiven Kontakte bestehen, weisen erhöhte Wirkungsgrade auf. / Doping is a key technological procedure to control the charge carrier density and Fermi level position in semiconductors. For organic semiconductors, the use of strong molecular electron acceptors and donors as p-type and n-type dopants, respectively, has emerged as the most reliable approach. In the present thesis, a variety of topics related to the molecular doping of organic semiconductors will be investigated. First, the suitability of two different material parameters to predict ion pair formation in molecular doping is explored: i) redox-potentials measured by cyclic voltammetry (CV) and ii) ionization energy (IE) / electron affinity (EA) measured by (inverse) photoelectron spectroscopy (PES/IPES). Optical absorption spectroscopy measurements reveal redox-potentials to be better suited to identify matching material pairs than IE/EA values. Secondly, the n-type doping of a prototypical p-type co-polymer by an organometallic dimer is studied. Combined PES/IPES, optical absorption and conductivity measurements show that the p type polymer can be rendered n-type upon doping. Thirdly, the p-type doping of the polymer P3HT by a boron based organic salt is investigated. A multi-experimental approach shows the formation of polarons at low and bipolarons at high dopant concentrations above ten percent. Finally, the modification of electron-selective contacts in organic-inorganic metal halide perovskite solar cells (PSCs) is studied in order to minimize electron collection losses. Here, an interlayer of organometallic dimers is introduced between electrode and organic electron transport layer in order to form an Ohmic contact. PSCs employing such modified electron-selective contacts show increased power conversion efficiencies.