Podcasts about ultravioletten

Eine wichtige Frage in der aktuellen Wetter- und Klimaforschung ist die quantitative Erfassung des Luftmassenaustauschs durch die Tropopause. Dabei hat insbesondere der Fluss an Ozon und Wasserdampf durch die Tropopause einen großen Einfluss auf die Chemie und die Strahlungsbilanz der Atmosphäre und spielt damit eine wichtige Rolle für das Verständnis und die Vorhersage des globalen Klimawandels. Mit modernen meteorologischen Messinstrumenten sind die Beobachtungsfehler allerdings teilweise noch vergleichsweise groß und manche Größen lassen sich nur indirekt bestimmen. Es besteht daher großer Bedarf an zusätzlichen und genaueren Beobachtungsmethoden, mit möglichst hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und hoher Genauigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Messinstrument AMALFI (Amalgamated Lidars for the Measurement of Trace Gas Fluxes in the Atmosphere), zur Tracer-basierten Vermessung von Austauschprozessen durch die Tropopause, fertiggestellt. Es wurde ein leistungsstarkes Ozonlidar entwickelt, das die Möglichkeiten des am DLR bestehenden Wasserdampflidar WALES (WAter Vapor Lidar Experiment in Space) dahingehend erweitert, dass Ozon und Wasserdampf gleichzeitig mit einem Instrument gemessen werden können. Dazu wurde ein OPO-basierter Frequenzkonverter entwickelt, welcher aus dem Licht der Wellenlänge 1064 nm die erforderlichen UV-Wellenlängen durchstimmbar im Bereich um 305 nm mit einer mittleren Ausgangsleistung von über 1 Watt erzeugt. Dabei lag aufgrund der limitierten Zerstörschwellen der Optiken die größte Herausforderung in der Steigerung der mittleren Ausgangsleistung um eine Größenordnung im Vergleich zum bereits am DLR bestehenden Ozonlidar-Transmitter. Der hier entwickelte flugzeugtaugliche Konverter ist optisch sowie mechanisch und elektrisch mit den 100-Hz Nd:YAG-Pumpmodulen von WALES kompatibel, sodass eine unkomplizierte und schnelle Modifikation von dem Vier-Wasserdampf-Wellenlängen-Lidar WALES auf das Zwei-Wasserdampf- und Zwei-Ozon-Wellenlängen-Lidar ermöglicht wird. Mit AMALFI besteht weltweit erstmals die Möglichkeit, mittels aktiver Fernerkundung gleichzeitig Ozon und Wasserdampf in der Tropopausenregion von dem Flugzeug HALO aus zu vermessen. Aufgrund der mit HALO verbundenen Terminverzögerungen konnten keine gemeinsamen Ozon- und Wasserdampf-Messungen vorgenommen werden. Alternativ wurde der entwickelte Ozon-Lidartransmitter vom Boden aus getestet und mit zwei unterschiedlichen Ozonmessverfahren des DWD-Observatoriums vom Hohenpeißenberg validiert. Im Rahmen der Messgenauigkeiten konnte eine Übereinstimmung der drei Instrumente nachgewiesen werden. Weiter kann aus der Übereinstimmung zwischen den experimentellen Messungen und den numerischen Simualtionen gefolgert werden, dass mit dem Ozonlidar im Flugzeugbetrieb die gestellten Anforderungen zur Vermessung von Ozon im Tropopausenbereich in Bezug auf Auflösung und Genauigkeit tatsächlich erfüllt werden. Damit konnte dessen Eignung im Rahmen der gegebenen Möglichkeiten bewiesen werden. Mit dem hier komplettierten System AMALFI können künftig unter der Verwendung von Wasserdampf und Ozon als sogenannte Tracer gezielt Stratosphären-Troposphären-Austauschprozesse analysiert werden. Somit steht mit AMALFI in der STE-Forschung ein neuartiges Messinstrument mit einer noch nie dagewesenen Messabdeckung von der regionalen bis zur kontinentalen Skala mit der dafür notwendigen hohen räumlichen Auflösung und Genauigkeit zur Verfügung.

Kolloidale Halbleiternanokristalle sind aufgrund ihrer vom Ultravioletten bis weit ins Infrarote durchstimmbaren Emissionswellenlänge besonders interessante Nanostrukturen für zukünftige optoelektronische Bauelemente und werden daher zurzeit intensiv erforscht. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Untersuchung und Manipulation der Lichtemission von neuartigen, stäbchenförmigen Cadmiumselenid/Cadmiumsulfid (CdSe/CdS) Nanokristallen in einem Einzelpartikelfluoreszenzaufbau. Diese Nanokristalle bestehen aus einem sphärischen CdSe-Kern, an den ein CdS-Nanostäbchen monokristallin gewachsen wird. Dadurch entstehen räumlich asymmetrische Halbleiternanostäbchen mit einem Aspektverhältnis zwischen 1,6 und 4,0. Durch die Messung der strahlenden Rate konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Elektron über das gesamte Nanostäbchen delokalisiert ist, wohingegen das Loch im CdSe-Kern lokalisiert ist. Daher kann man durch die Länge des Cadmiumsulfidstäbchens den Wellenfunktionsüberlapp direkt manipulieren. Die Wellenfunktionen und damit die Emissionsenergien können neben der Geometrie insbesondere auch durch externe elektrische Felder kontrolliert werden. Da die Größe dieses so genannten „Starkeffekts in quantenbeschränkten Strukturen“ mit der räumlichen Ausdehnung der Nanostruktur zunimmt, konnte in den Nanostäbchen ein, verglichen zu sphärischen Nanokristallen, deutlich erhöhter Feldeffekt beobachtet werden. Experimente an einzelnen CdSe/CdS Nanostäbchen zeigen aber nicht nur eine Verschiebung der Emissionsenergie um das 50-fache der Linienbreite, sondern zugleich eine feldinduzierte Abnahme der Emissionsintensität um eine Größenordnung. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich hervorragend mit einem theoretischen Modell vergleichen. Dazu wurde das effektive Massenmodell um die Coulombwechselwirkung ergänzt und durch eine finite Elemente Methode für asymmetrische Geometrien erweitert. Damit ist es möglich, sowohl die strahlende Rate, die Starkverschiebung der Emissionsenergie wie auch die Intensitätsmodulation durch elektrische Felder qualitativ und quantitativ vorherzusagen und den Starkeffekt in kolloidalen Nanokristallen durch ein quantenmechanisches Modell zu beschreiben. Die Emissionscharakteristik wird nicht nur durch externe Felder, sondern auch durch Fluktuationen lokaler Felder beeinflusst, welche durch diffundierende Oberflächenladungen entstehen. Diese lokalen Feldveränderungen induzieren ebenfalls eine Starkverschiebung und führen zu einer zeitlichen Variation der Emissionsenergie. Durch die elongierte Form der Nanostäbchen ist es erstmals gelungen, bei kolloidalen Nanokristallen die Bewegung von Oberflächenladungen auf der Nanometerskala zu beobachten. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass man dabei zwischen einer zufälligen Bewegung der Oberflächenladungen um den Ladungsschwerpunkt und der Verschiebung des Ladungsträgerschwerpunkts unterscheiden kann.

Zur Untersuchung ultraschneller molekularer Quantendynamik und deren Dephasierung werden erstmals extrem kurze Lichtimpulse erzeugt, die aus nur wenigen Zyklen des elektrischen Feldes bestehen und sowohl im Sichtbaren als auch im Ultravioletten weit abstimmbar und untereinander phasengekoppelt sind. Im Sichtbaren gelingt die Erzeugung von 7-fs Impulsen durch nichtkollineare optisch-parametrische Verstärkung eines Weißlicht-Kontinuums und adaptive Kompression mit einem deformierbaren Spiegel in der Fourier-Ebene. Durch geeignete zeitliche Streckung aller beteiligten Impulse (optical parametric chirped pulse amplification) kann die spektrale Breite der Impulse stark erweitert und darüber hinaus leicht an experimentelle Fragestellungen angepasst werden. Bei einer hohen Repetitionsrate von 4 MHz werden nahinfrarote 12-fs Impulse mit Hilfe von cavity-dumping und Dauerstrich-Nachverstärkung erzeugt. Die Impulse haben eine ausreichende Intensität zur Erzeugung eines stabilen Weißlicht-Kontinuums in Saphir. Die spektrale Bandbreite von kollinearen optisch-nichtlinearen Frequenzmischprozessen ist generell durch die Phasenanpassung zwischen den beteiligten Wellen limitiert. Diese Beschränkung kann mit einem neuartigen Konzept zur achromatischen Phasenanpassung um zwei Größenordnungen überwunden werden. Dadurch gelingt erstmals die Erzeugung weit abstimmbarer ultravioletter 7-fs Impulse durch Frequenzverdopplung von spektral geeignet aufgespalteten Lichtfeldern. Diese Impulse sind die bisher kürzesten im ultravioletten Spektralbereich und eine Erzeugung von 2.5-fs-Impulsen ist möglich. Alternativ können ultraviolette 20-fs Impulse mit höherer Energie und größerem Abstimmbereich auch durch gestreckte Summenfrequenzmischung erzeugt werden. Ein neuartiges interferometrisches Messkonzept, zero-additonal-phase SPIDER, erlaubt erstmals die vollständige Charakterisierung der zeitlichen Impulsform und der spektralen Phase der extrem kurzen ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Impulse direkt am Ort eines spektroskopischen Experiments. Die zeitlichen Eigenschaften der Impulse werden dabei erstmals durch die Messung nicht beeinflusst. Die interferometrische Kalibrierung erfolgt im bestehenden Aufbau und die Konsistenz der Messung kann mit einfachen Tests kontrolliert werden. Alternativ ermöglicht eine Autokorrelationsmessung ohne optischen Strahlteiler die dispersionsfreie Messung von Impulsdauern für sichtbare bis nahinfrarote sub-10-fs Impulse in einem besonders kompakten Aufbau. Unter Berücksichtigung von höheren Ordnungen der spektralen Phase wird eine analytische Theorie der Frequenzverdopplung entwickelt, die eine häufig beobachtete Frequenzverschiebung und über die Phasen-fehlanpassung hinausgehende spektrale Einengung erklärt. Theorie und Experiment zeigen, dass sich die verschiedenen Ordnungen der spektralen Phase unabhängig voneinander zur zweiten Harmonischen übertragen und höhere Ordnungen dabei unterdrückt werden. Das erlaubt die Erzeugung von nahezu Fourier-limitierten ultravioletten sub-20-fs Impulsen durch ausschließliche Kompression im Sichtbaren und durch Frequenzverdopplung zeitlich gestreckter Impulse. Die Impulse aus zwei getrennten parametrischen Verstärkern weisen zeitliche Schwankungen von weniger als einer Femtosekunde auf und sind zueinander phasenstarr. Die Phase der verstärkten Impulse ist nur durch die Phase des als Saat-Licht verwendeten Weißlicht-Kontinuums bestimmt. Dessen restliche Phasenfluktuationen sind direkt mit der Intensität des Pumpimpulses gekoppelt und einfache Überlegungen zur Filamentbildung erklären die Großenordnung und das Vorzeichen dieser Zusammenhänge. Die relativen Schwankungen der carrier-envelope-Phase können durch räumliche Interferometrie für jeden Einzelimpuls gemessen und mit experimentellen Daten korreliert werden. Für Impulszüge bei verschiedenen Wellenlängen wird eine relative Phase definiert und mit Hilfe eines optisch-nichtlinearen Interferometers gemessen, das auf kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung basiert. Getrennte Spektralkomponenten eines Weißlicht-Kontinuums aus Saphir erweisen sich in hohem Maße als zueinander phasenstarr. Dies erlaubt die Erzeugung von weit abstimmbaren Impulszügen mit fester Phasenbeziehung trotz unterschiedlicher Zentralwellenlänge. Molekulare Quantenzustände verlieren ihre elektronischen und Schwingungs-Kohärenzen innerhalb kür-zester Zeit an die Lösungsmittelumgebung und makroskopische Polarisationen zerfallen durch homogene und inhomogene Dephasierung. Mit den nun verfügbaren kurzen Impulsen werden die Mechanismen der extrem schnellen elektronischen Dephasierung von verschiedenen Farbstoffen in Lösung durch Photon-Echo-Messungen untersucht. Es zeigt sich, dass die Dephasierungszeit von elektronischen Kohärenzen von der Flexibilität oder Starrheit der Molekülstruktur abhängt. Mit den phasengekoppelten Impulsen kann außerdem die unterschiedliche Dephasierungszeit von verschiedenen Schwingungsmoden ausgenutzt werden, um unter-schiedliche Moleküle trotz überlappender Energiebänder durch zeitlich verzögerte Heterodyn-Detektion zu unterscheiden. In der Raman-Mikroskopie wird dieser Effekte als neuartiger Kontrastmechanismus zur untergrundfreien und molekülspezifischen Bildgebung ausgenutzt.

Die zeitaufgel"oste Fluoreszenzspektroskopie stellt einen Zugang zur Dynamik von Molek"ulen dar. Da schnelle molekulare Vorg"ange, wie z.B. Isomerisierungen, innerhalb weniger 100 fs oder sogar darunter ablaufen k"onnen, erfordert ihre Untersuchung Techniken, die Zeitaufl"osungen in diesem Bereich erlauben. Elektronische Me"sverfahren erreichen derartige Zeitaufl"osungen jedoch nicht. Daher wird bei zeitaufgel"osten Fluoreszenzmessungen auf optische Methoden zur"uckgegriffen. In dieser Arbeit wird der Aufbau und die Weiterentwicklung eines Me"ssystems f"ur die zeitaufgel"oste Beobachtung von Fluoreszenzspektren molekularer Proben auf der Basis des Kerr-Effekts vorgestellt. Nach Anregung der Proben mit Laserimpulsen im ultravioletten oder sichtbaren Spektralbereich kann bei einer Zeitaufl"osung von ca. 100 fs gleichzeitig eine Messung "uber einen sehr breiten Spektralbereich vom nahen Ultravioletten bis ins nahe Infrarote durchgef"uhrt werden. Auf dieser Grundlage wird die Fluoreszenz einer Reihe von Proben untersucht, die nach optischer Anregung isomerisieren. Es handelt sich hierbei um die Molek"ule 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol, Bakteriorhodopsin und Proteorhodopsin. Das Push-Pull substituierte Azobenzolderivat 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol (NA) isomerisiert nach Photoanregung ebenso wie das unsubstituierte Azobenzol. Trotz stark unterschiedlicher elektronischer Struktur offenbart sich eine erstaunliche "Ahnlichkeit in der Dynamik beider Molek"ule. Beide Systeme besitzen in der Emission ein "ahnliches biphasisches Verhalten. F"ur NA wurden Zeitkonstanten von 0.08 ps und 0.8 ps und ein verz"ogerter Anstieg der Fluoreszenz im langwelligen Teil der Spektren bestimmt. Ein Unterschied zu unsubstituiertem Azobenzol besteht in den um etwa den Faktor drei k"urzeren Zeitkonstanten von NA. Der prim"are Schritt im Photozyklus von Bakteriorhodopsin (BR) besteht in der Isomerisierung des Retinalmolek"uls, welches als Chromophor dient. W"ahrend die Zeitskalen dieser Isomerisierung aus transienten Absorptionsexperimenten bereits bekannt sind, unterliegen die damit assoziierten molekularen Prozesse weiterhin einer kontroversen Diskussion. In den hier durchgef"uhrten Emissionsmessungen wurde neben den bereits bekannten Zeitkonstanten von < 0.15 ps und 0.45 ps f"ur den Fall niedriger Anregungsdichten das erste Mal ein dynamischer Stokes-Shift auf der Zeitskala von 0.2 ps entdeckt. Im Falle hoher Anregungsdichten k"onnen die deutlichen "Anderungen der zeitaufgel"osten Spektren Mehrphotonenabsorptionen zugeordnet werden. Erst vor kurzer Zeit wurde das Proteorhodopsin (PR) als neues Mitglied der Familie der rhodopsinartigen Proteine entdeckt. Ebenso wie bei BR ist der prim"are Schritt des Photozyklus die Isomerisierung seines Retinalmolek"uls. Hier wurden zum ersten Mal zeitaufgel"oste Fluoreszenzmessungen an PR durchgef"uhrt. Es wurde, wie auch bei BR, ein dynamischer Stokes-Shift gefunden. Im Gegensatz zu BR besitzt PR in der Emission jedoch drei Zeitkonstanten von < 0.15 ps, 0.45 ps und 4 ps. Die dritte Zeitkonstante kann mit einem spektral dunklen Zwischenzustand assoziiert werden.

Feldtheorien auf nichtkommutativen (NC) Raeumen werden untersucht als realistische Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Vor allem werden zwei Modelle mit nicht vertauschenden operatorwertigen Koordinaten betrachtet: Kanonisch NC Raeume und der kappa-deformierte Raum. Diese NC Raeume werden auf gewoehnlichen Funktionen durch Sternprodukte dargestellt. Die deformierte Multiplikation erzwingt, dass in einer Eichtheorie auf einem NC Raum das Eichpotential nicht Werte in einer Lie Algebra annimmt, sondern in deren Einhuellenden Algebra. Diese NC Eichtheorie kann jedoch so formuliert werden, dass die Freiheitsgrade mit denen der kommutativen Eichtheorie uebereinstimmen. Somit kann die Eichtheorie auf der Basis jeder Lie Algebra definiert werden, sie wird rein algebraisch aus einem Konsistenzprinzip konstruiert und hier aufgefaechert in der Einhuellenden Algebra zur zweiten Ordnung in theta berechnet. Der Zusammenhang mit der Seiberg-Witten-Abbildung der Stringtheorie wird ausfuehrlich diskutiert, ebenso Auswirkungen der Freiheiten dieser Konstruktion fuer physikalische Theorien. Dieser Ansatz der Auffaecherung in theta versteht sich als effektive Theorie. Daher wird die Quantenfeldtheorie des Standardmodells zwar nicht im Ultravioletten abgeschirmt, das in der NC Feldtheorie notorische UV-IR Problem wird aber a priori umgangen. Der kappa-deformierte Raum ist ein NC Raum mit einer deformierten Symmetriestruktur. Diese Symmetrie wird durch eine Hopfalgebra beschrieben und deren Eigenschaften werden hier aus der Konsistenz mit den NC Vertauschungsbeziehungen hergeleitet. Ableitungs-operatoren werden ausschoepfend diskutiert, ebenso algebraische Vektorfelder und zwei verschiedene Definitionen von Differentialformen. Neu ist die Einf"uhrung eines NC Differentialkalkuels mit genau n Einsformen in n Dimensionen. Alle abstrakt definierten Groessen werden auf gewoehnlichen Funktionen durch ableitungswertige Operatoren dargestellt. Es werden Fortschritte erzielt bei der Definition eines eichinvarianten Integrals ueber dem kappa-deformierten Raum, das zugleich invariant unter der deformierten Symmetrie ist. Abschliessend wird die Eichtheorie fuer den kappa-deformierten Raum konstruiert, aufgefaechert im Deformationsparameter bis zur zweiten Ordnung. Lagrangefunktionen und Wirkungen werden berechnet. Eichfelder sind fuer Raeume mit deformierter Symmetrie ableitungswertig und koppeln nicht-trivial mit anderen Feldern. Diese Modelle sagen keine neuen Teilchen vorher, sondern Wechselwirkungs-Vertices und fuer den kappa-deformierten Fall auch neue Propagatoren. Die explizite Berechnung dieser Theoriefuer das Standardmodell kann zu messbaren Korrekturen fuehren, z.B. zu im Standardmodell verbotenen Zerfaellen.