This thesis will outline studies performed on the fluorescence dynamics of phenyl-benzo-
[c]-tetrazolo-cinnolium chloride (PTC) in alcoholic solutions with varying viscosity using
time-resolved fluoro-spectroscopic methods. Furthermore, the properties of femtosecond
Laguerre-Gaussian (LG) laser pulses will be investigated with respect to their temporal
and spatial features and an approach will be developed to measure and control the spatial
intensity distribution on the time scale of the pulse.
Tetrazolium salts are widely used in biological assays for their low oxidation and reduction
thresholds and spectroscopic properties. However, a neglected feature in these applications
is the advantage that detection of emitted light has over the determination of the
absorbance. To corroborate this, PTC as one of the few known fluorescent tetrazolium
salts was investigated with regard to its luminescent features. Steady-state spectroscopy
revealed how PTC can be formed by a photoreaction from 2,3,5-triphenyl-tetrazolium
chloride (TTC) and how the fluorescence quantum yield behaved in alcoholic solvents
with different viscosity. In the same array of solvents time correlated single photon counting
(TCSPC) measurements were performed and the fluorescence decay was investigated.
Global analysis of the results revealed different dynamics in the different solvents, but
although the main emission constant did change with the solvent, taking the fluorescence
quantum yield into consideration resulted in an independence of the radiative rate from
the solvent. The non-radiative rate, however, was highly solvent dependent and responsible
for the observed solvent-related changes in the fluorescence dynamics. Further studies
with the increased time resolution of femtosecond fluorescence upconversion revealed an
independence of the main emission constant from the excitation energy, however the dynamics
of the cooling processes prior to emission were prolonged for higher excitation
energy. This led to a conceivable photoreaction scheme with one emissive state with a
competing non-radiative relaxation channel, that may involve an intermediate state.
LG laser beams and their properties have seen a lot of scientific attention over the past two
decades. Also in the context of new techniques pushing the limit of technology further to
explore new phenomena, it is essential to understand the features of this beam class and
check the consistency of the findings with theoretical knowledge. The mode conversion
of a Hermite-Gaussian (HG) mode into a LG mode with the help of a spiral phase plate
(SPP) was investigated with respect to its space-time characteristics. It was found that
femtosecond LG and HG pulses of a given temporal duration share the same spectrum
and can be characterized using the same well-established methods. The mode conversion
proved to only produce the desired LG mode with its characteristic orbital angular momentum
(OAM), that is conserved after frequency doubling the pulse. Furthermore, it
was demonstrated that temporal shaping of the HG pulse does not alter the result of its
mode-conversion, as three completely different temporal pulse shapes produced the same
LG mode. Further attention was given to the sum frequency generation of fs LG beams
and dynamics of the interference of a HG and a LG pulse. It was found that if both are
chirped with inverse signs the spatial intensity distribution does rotate around the beam
axis on the time scale of the pulse. A strategy was found that would enable a measurement
of these dynamics by upconversion of the interference with a third gate pulse. The results
of which are discussed theoretically and an approach of an experimental realization had
been made. The simulated findings had only been reproduced to a limited extend due to
experimental limitations, especially the interferometric stability of the setup. / Die vorliegende Arbeit wird eine Übersicht über die durchgeführten Studien, die die Fluoreszenzdynamiken
von Phenyl-Beno-[c]-Tetrazolo-Cinnolinum Chlorid (PTC) in alkoholischen
Lösungsmitteln verschiedener Viskosität mit Hilfe von zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie
untersuchen, liefern. Des weiteren werden die Eigenschaften von Laserpulsen
mit Laguerre-Gauss (LG) strahlprofilen in Hinblick auf ihre räumlichen und zeitlichen
Charakteristika beleuchtet und ein Ansatz entwickelt, die räumliche Intensitätsverteilung
zu messen und auf der Zeitskala der Pulse zu kontrollieren.
Tetrazoliumsalze sind aufgrund ihrer niedrigen Oxidations- und Reduktionspotentiale und
ihrere spektroskopischen Eigenschaften weit verbreitet in biologischen Assays. Allerdings
wird in diesen Anwendungen der Vorteil, den Messungen der Lichtesmission gegenüber
der Lichtabsorption haben, vernachlässigt. Um das zu ergründen wurde PTC, als eines
der wenigen bekannten Tetrazoliumsalze welches fluoresziert, im Hinblick auf seine lichtemittierenden
Eigenschaften untersucht. Statische Spektroskopie wies nach, wie PTC
aus einer Photoreaktion aus 2,3,5-Triphenyl-Tetrazoliumchlorid (TTC) erzeugt werden
konnte und wie sich die Fluoreszenzquantenausbeute in alkoholischen Lösungsmitteln mit
unterschiedlicher Viskosität verhält. In den gleichen Lösungsmitteln wurden zeitkorreliertes
Einzelphotonen Zählen (TCSPC) durchgeführt und der Fluoreszenzzerfall untersucht.
Die globale Analyse der Ergebnisse hat gezeigt, das die Dynamiken sich in den verschiedenen
Lösungsmitteln unterscheiden, die Konstante, welche die Hauptemission beschreibt,
sich in den unterschiedlichen Lösungsmitteln zwar verändert, aber wenn die Fluoreszenzquantenausbeute
auch berücksichtigt wird, zu Raten der Lichtemission führte, die unabhängig vom Lösungsmittel sind. Die nichststrahlende Rate allerdings hängt stark vom
Lösungsmittel ab und ist auch verantwortlich für die unterschiedlichen Dynamiken in den
verschiedenen Lösungen. Weitere Studien, die mit der höheren zeitlichen Auflösung der
Fluoreszenzaufkonversionsmethode durchgeführt wurden, ergaben, dass die Hauptfluoreszenz
unabhängig von der Anregungsenergie ist, aber die Relaxationsprozesse, welche vor
der Lichtaussendung stattfinden, mit höherer Anregungsenergie länger dauern. Die Ergebnisse
mündeten in ein denkbares Photoreaktionsschema, das durch einen strahlenden
Zustand gekennzeichnet ist und einen konkurrierenden nichtstrahlenden Zerfallspfad besitzt,
welcher einen kurzlebigen Zwischenzustand besitzen könnte.
Laguerre-Gauss Laserstrahlen und ihre Eigensachften haben in den letzten zwei Jahrzehnten
viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit erhalten. Auch im Hinblick auf neue Methoden,
die die technologische Machbarkeitsgrenze verschieben, um neue Phänomene zu
erforschen, ist es notwendig, das Verständnis über diese Strahlklasse zu erweitern und die
Konsistenz der Resultate mit dem theoretischen Wissen abzugleichen und in Einklang zu
bringen. Die Konversion einer Hermite-Gauss (HG) Mode in eine LG Mode, mit Hilfe
einer spiralen Phasenplatte (SPP), wurde im Hinblick auf ihre räumlich-zeitlichen Charakteristika
untersucht. Es wurde herausgefunden, dass Femtosekunden HG und LG Pulse
einer bestimmten zeitlichen Dauer das gleiche Spektrum besitzen und durch die gleichen
etablierten Methoden charakterisiert werden können. Es stellte sich heraus, dass die Modenkonversion
nur die gewünschte LG Mode mit ihrem charakeristischen orbitalen Drehimpuls
(OAM), der bei Frequenzverdopplung erhalten bleibt, erzeugt. Außerdem wurde
demonstriert, dass ein zeitlich geformter Femtosekunden HG Puls nicht das Resultat der
Modenkonversion beeinflusst, da zeitlich völlig verschieden strukturierte Pulse die gleiche
LG Mode erzeugen. Des weiteren wurde die Summenfrequenz von fs LG Strahlen und die
Dynamik der Interferenz eines HG und eines LG Pulses beleuchtet. Es wurde gefunden,
dass wenn beide entgegengesetzt gechirpt sind, die räumliche Intensitätsverteilung auf
der Zeitskala der Pulse um die Strahlachse rotiert. Theoretisch wurde ein Vorgehen entwickelt,
das eine Messung dieser Dynamik, durch die Aufkonversion der Interferenz mit
einem dritten Gate-Puls, ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Methode wurden auf theoretischer
Ebende diskutiert und ein Versuch einer experimentellen Realisierung wurde
unternommen. Allerdings konnten die gemessenen Resultate, aufgrund experimenteller
Limitierungen insbesondere der interferometrischen Stabilität, die theoretischen Erwartungen
nur bedingt demonstrieren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:16090 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Bolze, Tom |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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