Giunzione mediante laser di materiali difficili, ibridi ed a struttura cellulare

Lo studio presentato in questa sede concerne applicazioni di saldatura LASER caratterizzate da aspetti di non-convenzionalità ed è costituito da tre filoni principali. Nel primo ambito di intervento è stata valutata la possibilità di effettuare saldature per fusione, con LASER ad emissione continua, su pannelli Aluminum Foam Sandwich e su tubi riempiti in schiuma di alluminio. Lo studio ha messo in evidenza numerose linee operative riguardanti le problematiche relative alla saldatura delle pelli esterne dei componenti ed ha dimostrato la fattibilità relativa ad un approccio di giunzione LASER integrato (saldatura seguita da un post trattamento termico) per la realizzazione della giunzione completa di particolari tubolari riempiti in schiuma con ripristino della struttura cellulare all’interfaccia di giunzione. Il secondo ambito di intervento è caratterizzato dall’applicazione di una sorgente LASER di bassissima potenza, operante in regime ad impulsi corti, nella saldatura di acciaio ad elevato contenuto di carbonio. Lo studio ha messo in evidenza come questo tipo di sorgente, solitamente applicata per lavorazioni di ablazione e marcatura, possa essere applicata anche alla saldatura di spessori sub-millimetrici. In questa fase è stato messo in evidenza il ruolo dei parametri di lavoro sulla conformazione del giunto ed è stata definita l’area di fattibilità del processo. Lo studio è stato completato investigando la possibilità di applicare un trattamento LASER dopo saldatura per addolcire le eventuali zone indurite. In merito all’ultimo ambito di intervento l’attività di studio si è focalizzata sull’utilizzo di sorgenti ad elevata densità di potenza (60 MW/cm^2) nella saldatura a profonda penetrazione di acciai da costruzione. L’attività sperimentale e di analisi dei risultati è stata condotta mediante tecniche di Design of Experiment per la valutazione del ruolo preciso di tutti i parametri di processo e numerose considerazioni relative alla formazione di cricche a caldo sono state suggerite.

Numerical and Analytical Methods for Laser-Plasma Acceleration Physics

Theories and numerical modeling are fundamental tools for understanding, optimizing and designing present and future laser-plasma accelerators (LPAs). Laser evolution and plasma wave excitation in a LPA driven by a weakly relativistically intense, short-pulse laser propagating in a preformed parabolic plasma channel, is studied analytically in 3D including the effects of pulse steepening and energy depletion. At higher laser intensities, the process of electron self-injection in the nonlinear bubble wake regime is studied by means of fully self-consistent Particle-in-Cell simulations. Considering a non-evolving laser driver propagating with a prescribed velocity, the geometrical properties of the non-evolving bubble wake are studied. For a range of parameters of interest for laser plasma acceleration, The dependence of the threshold for self-injection in the non-evolving wake on laser intensity and wake velocity is characterized. Due to the nonlinear and complex nature of the Physics involved, computationally challenging numerical simulations are required to model laser-plasma accelerators operating at relativistic laser intensities. The numerical and computational optimizations, that combined in the codes INF&RNO and INF&RNO/quasi-static give the possibility to accurately model multi-GeV laser wakefield acceleration stages with present supercomputing architectures, are discussed. The PIC code jasmine, capable of efficiently running laser-plasma simulations on Graphics Processing Units (GPUs) clusters, is presented. GPUs deliver exceptional performance to PIC codes, but the core algorithms had to be redesigned for satisfying the constraints imposed by the intrinsic parallelism of the architecture. The simulation campaigns, run with the code jasmine for modeling the recent LPA experiments with the INFN-FLAME and CNR-ILIL laser systems, are also presented.

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Lipid remodelling of glycosylphosphatidylinositol (GPI) glycoconjugates in procyclic-form trypanosomes: biosynthesis and processing of GPIs revisited

The African trypanosome, Trypanosoma brucei, has been used as a model to study the biosynthesis of GPI (glycosylphosphatidylinositol) anchors. In mammalian (bloodstream)-form parasites, diacyl-type GPI precursors are remodelled in their lipid moieties before attachment to variant surface glycoproteins. In contrast, the GPI precursors of insect (procyclic)-form parasites, consisting of lyso-(acyl)PI (inositol-acylated acyl-lyso-phosphatidylinositol) species, remain unaltered before protein attachment. By using a combination of metabolic labelling, cell-free assays and complementary MS analyses, we show in the present study that GPI-anchored glycoconjugates in T. congolense procyclic forms initially receive tri-acylated GPI precursors, which are subsequently de-acylated either at the glycerol backbone or on the inositol ring. Chemical and enzymatic treatments of [3H]myristate-labelled lipids in combination with ESI-MS/MS (electrospray ionization-tandem MS) and MALDI-QIT-TOF-MS3 (matrix-assisted laser-desorption ionization-quadrupole ion trap-time-of-flight MS) analyses indicate that the structure of the lipid moieties of steady-state GPI lipids from T. congolense procyclic forms consist of a mixture of lyso-(acyl)PI, diacyl-PI and diacyl-(acyl)PI species. Interestingly, some of these species are myristoylated at the sn-2 position. To our knowledge, this is the first demonstration of lipid remodelling at the level of protein- or polysaccharide-linked GPI anchors in procyclic-form trypanosomes.

Thermographie zur Temperaturmessung beim Laser-Sintern – ein Beitrag zur Qualitätssicherung?

Beim Laser-Sintern wird das Pulverbett durch Heizstrahler vorgeheizt, um an der Pulveroberfläche eine Temperatur knapp unterhalb des Materialschmelzpunktes zu erzielen. Dabei soll die Temperaturverteilung auf der Oberfläche möglichst homogen sein, um gleiche Bauteileigenschaften im gesamten Bauraum zu erzielen und den Bauteilverzug gering zu halten. Erfahrungen zeigen jedoch sehr inhomogene Temperaturverteilungen, weshalb oftmals die Integration von neuen oder optimierten Prozessüberwachungssystemen in die Anlagen gefordert wird. Ein potentiell einsetzbares System sind Thermographiekameras, welche die flächige Aufnahme von Oberflächentemperaturen und somit Aussagen über die Temperaturen an der Pulverbettoberfläche erlauben. Dadurch lassen sich kalte Bereiche auf der Oberfläche identifizieren und bei der Prozessvorbereitung berücksichtigen. Gleichzeitig ermöglicht die Thermografie eine Beobachtung der Temperaturen beim Lasereingriff und somit das Ableiten von Zusammenhängen zwischen Prozessparametern und Schmelzetemperaturen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde ein IR-Kamerasystem erfolgreich als Festeinbau in eine Laser-Sinteranlage integriert und Lösungen für die hierbei auftretenden Probleme erarbeitet. Anschließend wurden Untersuchungen zur Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie zu den Einflussfaktoren auf deren Homogenität durchgeführt. In weiteren Untersuchungen wurden die Schmelzetemperaturen in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter ermittelt. Auf Basis dieser Messergebnisse wurden Aussagen über erforderliche Optimierungen getroffen und die Nutzbarkeit der Thermografie beim Laser-Sintern zur Prozessüberwachung, -regelung sowie zur Anlagenwartung als erster Zwischenstand der Untersuchungen bewertet.

Comparative theoretical analysis of continuous wave laser cutting of metals at 1 and 10 um wavelength

We present a derivation and, based on it, an extension of a model originally proposed by V.G. Niziev to describe continuous wave laser cutting of metals. Starting from a local energy balance and by incorporating heat removal through heat conduction to the bulk material, we find a differential equation for the cutting profile. This equation is solved numerically and yields, besides the cutting profiles, the maximum cutting speed, the absorptivity profiles, and other relevant quantities. Our main goal is to demonstrate the model’s capability to explain some of the experimentally observed differences between laser cutting at around 1 and 10 μm wavelengths. To compare our numerical results to experimental observations, we perform simulations for exactly the same material and laser beam parameters as those used in a recent comparative experimental study. Generally, we find good agreement between theoretical and experimental results and show that the main differences between laser cutting with 1- and 10-μm beams arise from the different absorptivity profiles and absorbed intensities. Especially the latter suggests that the energy transfer, and thus the laser cutting process, is more efficient in the case of laser cutting with 1-μm beams.

Laser ablation and induced nano-particle synthesis

Laser pulses are largely used for processing and analysis of materials and in particular for nano-particle synthesis. This paper addresses fundamentals of the generation of nano-materials following specific thermodynamic paths of the irradiated material. Computer simulations using the hydro code MULTI and the SESAME equation of state have been performed to follow the dynamics of a target initially heated by a short laser pulse over a distance comparable to the metal skin depth.

Processing 20 years of SLR observations to GNSS satellites

We process 20 years of SLR observations to GPS and GLONASS satellites using the reprocessed 3-day and 1-day microwave orbits provided by the Center for Orbit Determination in Europe (CODE) for the period 1994-2013. We study the dependency of the SLR residuals on the type, size, and a number of corner cubes in satellite laser reflector arrays (LRA). We show that the mean SLR residuals and the RMS of residuals depend on the coating of LRA and the block or type of GNSS satellites. The SLR mean residuals are also a function of the equipment used at SLR stations including detector types and detecting modes.

Satellite laser ranging to GPS and GLONASS

Satellite laser ranging (SLR) to the satellites of the global navigation satellite systems (GNSS) provides substantial and valuable information about the accuracy and quality of GNSS orbits and allows for the SLR-GNSS co-location in space. In the framework of the NAVSTAR-SLR experiment two GPS satellites of Block-IIA were equipped with laser retroreflector arrays (LRAs), whereas all satellites of the GLONASS system are equipped with LRAs in an operational mode. We summarize the outcome of the NAVSTAR-SLR experiment by processing 20 years of SLR observations to GPS and 12 years of SLR observations to GLONASS satellites using the reprocessed microwave orbits provided by the center for orbit determination in Europe (CODE). The dependency of the SLR residuals on the size, shape, and number of corner cubes in LRAs is studied. We show that the mean SLR residuals and the RMS of residuals depend on the coating of the LRAs and the block or type of GNSS satellites. The SLR mean residuals are also a function of the equipment used at SLR stations including the single-photon and multi-photon detection modes. We also show that the SLR observations to GNSS satellites are important to validate GNSS orbits and to assess deficiencies in the solar radiation pressure models. We found that the satellite signature effect, which is defined as a spread of optical pulse signals due to reflection from multiple reflectors, causes the variations of mean SLR residuals of up to 15 mm between the observations at nadir angles of 0∘ and 14∘. in case of multi-photon SLR stations. For single-photon SLR stations this effect does not exceed 1 mm. When using the new empirical CODE orbit model (ECOM), the SLR mean residual falls into the range 0.1–1.8 mm for high-performing single-photon SLR stations observing GLONASS-M satellites with uncoated corner cubes. For best-performing multi-photon stations the mean SLR residuals are between −12.2 and −25.6 mm due to the satellite signature effect.

Laser ablation data of benthic foraminifera from surface sediments collected from the muddy intertidal flats near Dorum, Northwestern Germany in Autumn 2008

Biological activity introduces variability in element incorporation during calcification and thereby decreases the precision and accuracy when using foraminifera as geochemical proxies in paleoceanography. This so-called 'vital effect' consists of organismal and environmental components. Whereas organismal effects include uptake of ions from seawater and subsequent processing upon calcification, environmental effects include migration- and seasonality-induced differences. Triggering asexual reproduction and culturing juveniles of the benthic foraminifer Ammonia tepida under constant, controlled conditions allow environmental and genetic variability to be removed and the effect of cell-physiological controls on element incorporation to be quantified. Three groups of clones were cultured under constant conditions while determining their growth rates, size-normalized weights and single-chamber Mg/Ca and Sr/Ca using laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS). Results show no detectable ontogenetic control on the incorporation of these elements in the species studied here. Despite constant culturing conditions, Mg/Ca varies by a factor of similar to 4 within an individual foraminifer while intra-individual Sr/Ca varies by only a factor of 1.6. Differences between clone groups were similar to the intra-clone group variability in element composition, suggesting that any genetic differences between the clone-groups studied here do not affect trace element partitioning. Instead, variability in Mg/Ca appears to be inherent to the process of bio-calcification itself. The variability in Mg/Ca between chambers shows that measurements of at least 6 different chambers are required to determine the mean Mg/Ca value for a cultured foraminiferal test with a precision of <= 10%

UV laser-induced high resolution cleaving of Si wafers for micro-nano devices and polymeric waveguide characterization

In this work we propose a method for cleaving silicon-based photonic chips by using a laser based micromachining system, consisting of a ND:YVO4laser emitting at 355 nm in nanosecond pulse regime and a micropositioning system. The laser makes grooved marks placed at the desired locations and directions where cleaves have to be initiated, and after several processing steps, a crack appears and propagate along the crystallographic planes of the silicon wafer. This allows cleavage of the chips automatically and with high positioning accuracy, and provides polished vertical facets with better quality than the obtained with other cleaving process, which eases the optical characterization of photonic devices. This method has been found to be particularly useful when cleaving small-sized chips, where manual cleaving is hard to perform; and also for polymeric waveguides, whose facets get damaged or even destroyed with polishing or manual cleaving processing. Influence of length of the grooved line and speed of processing is studied for a variety of silicon chips. An application for cleaving and characterizing sol–gel waveguides is presented. The total amount of light coupled is higher than when using any other procedure.

Laser-fired contact optimization in c-Si solar cells

In this work we study the optimization of laser-fired contact (LFC) processing parameters, namely laser power and number of pulses, based on the electrical resistance measurement of an aluminum single LFC point. LFC process has been made through four passivation layers that are typically used in c-Si and mc-Si solar cell fabrication: thermally grown silicon oxide (SiO2), deposited phosphorus-doped amorphous silicon carbide (a-SiCx/H(n)), aluminum oxide (Al2O3) and silicon nitride (SiNx/H) films. Values for the LFC resistance normalized by the laser spot area in the range of 0.65–3 mΩ cm2 have been obtained