Interaction of ions, electrons, and laser pulses with surfaces

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Switchable dual-wavelength erbium-doped fibre laser utilizing two-channel fibre Bragg grating fabricated by femtosecond laser

We propose and demonstrate a switchable dual-wavelength erbium-doped fibre ring laser. Competition between the lasing wavelengths in erbium-doped fibre laser at room temperature is suppressed by incorporating a two-channel fibre Bragg grating (TC-FBG), which consists of two highly localized sub-gratings fabricated by femtosecond laser in single mode fibre. Wavelengths and polarization states of the lasing lines are selected by the TC-FBG. Laser output can be switched between single- and dual-wavelength operations by simply adjusting the polarization controller. Stable dual-wavelength output is verified at room temperature with a power fluctuation less than 0.27 dB, and wavelength fluctuation less than 0.004 nm.

An Optical limiter based on Ferrofluids

We report an optical limiter based on ferrofluids which has a very high shelf life and remarkable thermal stability, which are important requirements for sustainable use with intense lasers. The colloidal suspensions contain nanosized particles of approximately 80 Å diameter, with a number density of the order of 1022 /m3. The nonlinear optical transmission of the samples is studied using nanosecond and femtosecond laser pulses. Excited state absorption phenomena contribute to enhanced limiting in the nanosecond excitation regime. An advantageous feature of ferrofluids in terms of device applications is that their optical properties are controllable by an external magnetic field.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Excited-state absorption spectroscopy in oxidized Cytochrome c

This work reports on the excited-state absorption spectrum of oxidized Cytochrome c (Fe(3+)) dissolved in water, measured with the Z-scan technique with femtosecond laser pulses. The excited-state absorption cross-sections between 460 and 560 nm were determined with the aid of a three-energy-level model. Reverse saturable absorption was observed below 520 nm, while a saturable absorption process occurs in the Q-band, located around 530 nm. Above 560 nm, a competition between saturable absorption and two-photon absorption was inferred. These results show that Cytochrome c presents distinct nonlinear behaviors, which may be useful to study electron transfer chemistry in proteins by one- and two-photon absorption. In addition, owing to these nonlinear optical features, this molecule may be employed in applications involving photodynamics therapy and saturable absorbers. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Two-photon absorption in perylene derivatives

This work reports on the two-photon absorption (2PA) cross-section for bis (n-butylimido) perylene (BuPTCD), bis (benzimidazo) perylene (AzoPTCD), bis (benzimidazo) thioperylene (Monothio BZP), bis (phenethylimido) perylene (PhPTCD), bis (benzylimido) perylene (BePTCD) and n-pentylimido-benzimidazo perylene (PAzoPTCD) solutions measured using the Z-scan technique with femtosecond laser pulses at 775 nm. All perylene derivatives studied present large 2PA cross-sections, only comparable to the best ones reported in the literature. The experimental 2PA cross-sections obtained for each PTCD compound are in good agreement with a simplified sum-over-state calculation. The results of the present work indicates perylene derivatives as promising materials for two-photon applications. (C) 2003 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Nonlinear absorption spectrum in perylene derivatives

Knowledge about nonlinear absorption spectra of materials used in photonic devices is of paramount importance in determining their optimum operation wavelengths. In this work, we have investigated the two-photon absorption (2PA) degenerate cross-section spectrum for perylene derivatives using the Z-scan technique with femtosecond laser pulses. All perylene derivatives studied present large 2PA cross-sections, only comparable to the best ones reported in the literature. The results achieved in the present investigation indicate perylene derivatives as promising materials for two-photon applications. ©2005 Optical Society of America.

Nonlinear Optical Properties of Tungsten Lead-Pyrophosphate Glasses Containing Metallic Copper Nanoparticles

We have prepared heavy metal oxide glasses containing metallic copper nanoparticles with promising nonlinear optical properties which were determined by Z-scan and pump-probe measurements using femtosecond laser pulses. For the wavelengths within the plasmon band, we have observed saturable absorption and response times of 2.3 ps. For the other regions of the spectrum, reverse saturable absorption and lifetimes shorter than 200 fs were verified. The nonlinear refractive index is about 2.0 × 10-19 m2/W from visible to telecom region, thus presenting an enhancement effect at wavelengths near the plasmon and Cu+2 d-d band. © 2013 Springer Science+Business Media New York.

Application of the Z-scan technique to determine the optical Kerr coefficient and two-photon absorption coefficient of magnetite nanoparticles colloidal suspension

We investigate the occurrence of the optical Kerr effect and two-photon absorption when an oil-based magnetic Fe3O4 nanoparticles colloidal suspension is illuminated with high intensity femtosecond laser pulses. The frequency of the pulses is controlled and the Z-scan technique is employed in our measurements of the nonlinear optical Kerr coefficient (n(2)) and two-photon absorption coefficient (beta). From these values it was possible to calculate the real and imaginary parts of the third-order susceptibility. We observed that increasing the pulse frequency, additional physical processes take place, increasing artificially the absolute values of n(2) and beta. The experimental conditions are discussed to assure the obtention of reliable values of these nonlinear optical parameters, which may be useful in all-optical switching and optical power limiting applications. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4723829]

Phyllotaxis involves auxin drainage through leaf primordia

The spatial arrangement of leaves and flowers around the stem, known as phyllotaxis, is controlled by an auxin-dependent reiterative mechanism that leads to regular spacing of the organs and thereby to remarkably precise phyllotactic patterns. The mechanism is based on the active cellular transport of the phytohormone auxin by cellular influx and efflux carriers, such as AUX1 and PIN1. Their important role in phyllotaxis is evident from mutant phenotypes, but their exact roles in space and time are difficult to address due to the strong pleiotropic phenotypes of most mutants in phyllotaxis. Models of phyllotaxis invoke the accumulation of auxin at leaf initials and removal of auxin through their developing vascular strand, the midvein. We have developed a precise microsurgical tool to ablate the midvein at high spatial and temporal resolution in order to test its function in leaf formation and phyllotaxis. Using amplified femtosecond laser pulses, we ablated the internal tissues in young leaf primordia of tomato (Solanum lycopersicum) without damaging the overlying L1 and L2 layers. Our results show that ablation of the future midvein leads to a transient accumulation of auxin in the primordia and to an increase in their width. Phyllotaxis was transiently affected after midvein ablations, but readjusted after two plastochrons. These results indicate that the developing midvein is involved in the basipetal transport of auxin through young primordia, which contributes to phyllotactic spacing and stability.

Kohärente transiente und effiziente Endzustandskontrolle in Atomen und Molekülen

Es ist ein lang gehegter Traum in der Chemie, den Ablauf einer chemischen Reaktion zu kontrollieren und das Aufbrechen und Bilden chemischer Bindungen zu steuern. Diesem Ziel verschreibt sich auch das Forschungsgebiet der Femtochemie. Hier werden Femtosekunden Laserpulse eingesetzt um auf dem Quantenlevel molekulare Dynamiken auf ihren intrinsischen Zeitskalen zu kontrollieren und das System selektiv und effizient von einem Anfangs- in einen Zielzustand zu überführen. Der Wunsch, mit geformten Femtosekunden Laserpulsen Kontrolle über transiente Dynamiken und finale Populationen auszuüben, zu beobachten und zu verstehen, bildet auch die Motivation für diese Arbeit. Hierzu wurden mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie Untersuchungen zur Wechselwirkung atomarer und molekularer Prototypsysteme mit intensiven, geformten Femtosekunden Laserpulsen durchgeführt. Die Verwendung von Modelsystemen ermöglicht es, grundlegende Mechanismen der kohärenten Kontrolle in intensiven Laserfeldern zu analysieren, ohne dass sie durch komplexe Wechselwirkungen verschleiert werden. Zunächst wurde die Wechselwirkung von Kaliumatomen mit gechirpten Femtosekunden Laserpulsen untersucht. In den Experimenten wurden sowohl transiente Dynamiken als auch die Endbesetzungen der elektronischen Zustände abgebildet. In den folgenden Experimenten wurde das Quantenkontrollszenario SPODS auf die gekoppelte Elektronen-Kern-Dynamik in Molekülen übertragen. Die Kontrolle basiert auf der Erzeugung und Manipulation von Ladungsoszillationen durch Pulssequenzen. Der letzte Teil widmet sich der Entwicklung adiabatischer Kontrollmechanismen in Molekülen. Bei den Experimenten wurden gechirpte Airypulse eingesetzt um robuste Starkfeldanregung in molekularen Systemen zu induzieren. In Zukunft wird die Erforschung immer komplexerer Moleküle im Rahmen der transienten Kontrolle im Fokus stehen. Dabei werden nicht nur die effiziente Besetzung gebundener Zustände von Interesse sein, sondern auch die gezielte Dissoziation in spezifische Fragmente, photoinduzierte Isomerisierungsreaktionen oder die Kontrolle über transiente Dynamiken, die Einfluss auf andere molekulare Eigenschaften haben. Vor dem Hintergrund dieses übergeordneten Wunsches, photochemische Reaktionen immer komplexerer Moleküle, bis hin zu großen, biologisch relevanten Molekülen, zu kontrollieren, ist es umso wichtiger, die zugrundeliegenden Anregungsmechanismen in einfachen Systemen nachzuvollziehen. In den hier präsentierten Experimenten wurde gezeigt, wie die simultane Beobachtung der bekleideten und der stationären Zustände in atomaren Systemen zu einem umfassenden Bild der lichtinduzierte Dynamiken führen kann. Die gewonnenen Erkenntnisse können auf die Steuerung gekoppelter Dynamiken übertragen werden, durch die Kontrolle auch in molekularen Systemen möglich wird.

Full-vectorial modeling of femtosecond pulses for laser inscription of photonic structures

During the last decade, microfabrication of photonic devices by means of intense femtosecond (fs) laser pulses has emerged as a novel technology. A common requirement for the production of these devices is that the refractive index modification pitch size should be smaller than the inscribing wavelength. This can be achieved by making use of the nonlinear propagation of intense fs laser pulses. Nonlinear propagation of intense fs laser pulses is an extremely complicated phenomenon featuring complex multiscale spatiotemporal dynamics of the laser pulses. We have utilized a principal approach based on finite difference time domain (FDTD) modeling of the full set of Maxwell's equations coupled to the conventional Drude model for generated plasma. Nonlinear effects are included, such as self-phase modulation and multiphoton absorption. Such an approach resolves most problems related to the inscription of subwavelength structures, when the paraxial approximation is not applicable to correctly describe the creation of and scattering on the structures. In a representative simulation of the inscription process, the signature of degenerate four wave mixing has been found. © 2012 Optical Society of America.

Femtosecond imaging-mode laser-induced breakdown spectroscopy

Many nonlinear optical microscopy techniques based on the high-intensity nonlinear phenomena were developed recent years. A new technique based on the minimal-invasive in-situ analysis of the specific bound elements in biological samples is described in the present work. The imaging-mode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is proposed as a combination of LIBS, femtosecond laser material processing and microscopy. The Calcium distribution in the peripheral cell wall of the sunflower seedling (Helianthus Annuus L.) stem is studied as a first application of the imaging-mode LIBS. At first, several nonlinear optical microscopy techniques are overviewed. The spatial resolution of the imaging-mode LIBS microscope is discussed basing on the Point-Spread Function (PSF) concept. The primary processes of the Laser-Induced Breakdown (LIB) are overviewed. We consider ionization, breakdown, plasma formation and ablation processes. Water with defined Calcium salt concentration is used as a model of the biological object in the preliminary experiments. The transient LIB spectra are measured and analysed for both nanosecond and femtosecond laser excitation. The experiment on the local Calcium concentration measurements in the peripheral cell wall of the sunflower seedling stem employing nanosecond LIBS shows, that nanosecond laser is not a suitable excitation source for the biological applications. In case of the nanosecond laser the ablation craters have random shape and depth over 20 µm. The analysis of the femtosecond laser ablation craters shows the reproducible circle form. At 3.5 µJ laser pulse energy the diameter of the crater is 4 µm and depth 140 nm for single laser pulse, which results in 1 femtoliter analytical volume. The experimental result of the 2 dimensional and surface sectioning of the bound Calcium concentrations is presented in the work.