Beyond the blur: Construction and characterization of the first autonomous AO system and An AO survey of magnetar proper motions

Adaptive optics (AO) corrects distortions created by atmospheric turbulence and delivers diffraction-limited images on ground-based telescopes. The vastly improved spatial resolution and sensitivity has been utilized for studying everything from the magnetic fields of sunspots upto the internal dynamics of high-redshift galaxies. This thesis about AO science from small and large telescopes is divided into two parts: Robo-AO and magnetar kinematics.

In the first part, I discuss the construction and performance of the world’s first fully autonomous visible light AO system, Robo-AO, at the Palomar 60-inch telescope. Robo-AO operates extremely efficiently with an overhead < 50s, typically observing about 22 targets every hour. We have performed large AO programs observing a total of over 7,500 targets since May 2012. In the visible band, the images have a Strehl ratio of about 10% and achieve a contrast of upto 6 magnitudes at a separation of 1′′. The full-width at half maximum achieved is 110–130 milli-arcsecond. I describe how Robo-AO is used to constrain the evolutionary models of low-mass pre-main-sequence stars by measuring resolved spectral energy distributions of stellar multiples in the visible band, more than doubling the current sample. I conclude this part with a discussion of possible future improvements to the Robo-AO system.

In the second part, I describe a study of magnetar kinematics using high-resolution near-infrared (NIR) AO imaging from the 10-meter Keck II telescope. Measuring the proper motions of five magnetars with a precision of upto 0.7 milli-arcsecond/yr, we have more than tripled the previously known sample of magnetar proper motions and proved that magnetar kinematics are equivalent to those of radio pulsars. We conclusively showed that SGR 1900+14 and SGR 1806-20 were ejected from the stellar clusters with which they were traditionally associated. The inferred kinematic ages of these two magnetars are 6±1.8 kyr and 650±300 yr respectively. These ages are a factor of three to four times greater than their respective characteristic ages. The calculated braking index is close to unity as compared to three for the vacuum dipole model and 2.5-2.8 as measured for young pulsars. I conclude this section by describing a search for NIR counterparts of new magnetars and a future promise of polarimetric investigation of a magnetars’ NIR emission mechanism.

Rational design of zinc phosphide heterojunction photovoltaics

The prospect of terawatt-scale electricity generation using a photovoltaic (PV) device places strict requirements on the active semiconductor optoelectronic properties and elemental abundance. After reviewing the constraints placed on an "earth-abundant" solar absorber, we find zinc phosphide (α-Zn₃P₂) to be an ideal candidate. In addition to its near-optimal direct band gap of 1.5 eV, high visible-light absorption coefficient (>10⁴ cm^-1), and long minority-carrier diffusion length (>5 μm), Zn₃P₂ is composed of abundant Zn and P elements and has excellent physical properties for scalable thin-film deposition. However, to date, a Zn₃P₂ device of sufficient efficiency for commercial applications has not been demonstrated. Record efficiencies of 6.0% for multicrystalline and 4.3% for thin-film cells have been reported, respectively. Performance has been limited by the intrinsic p-type conductivity of Zn₃P₂ which restricts us to Schottky and heterojunction device designs. Due to our poor understanding of Zn₃P₂ interfaces, an ideal heterojunction partner has not yet been found.

The goal of this thesis is to explore the upper limit of solar conversion efficiency achievable with a Zn₃P₂ absorber through the design of an optimal heterojunction PV device. To do so, we investigate three key aspects of material growth, interface energetics, and device design. First, the growth of Zn₃P₂ on GaAs(001) is studied using compound-source molecular-beam epitaxy (MBE). We successfully demonstrate the pseudomorphic growth of Zn₃P₂ epilayers of controlled orientation and optoelectronic properties. Next, the energy-band alignments of epitaxial Zn₃P₂ and II-VI and III-V semiconductor interfaces are measured via high-resolution x-ray photoelectron spectroscopy in order to determine the most appropriate heterojunction partner. From this work, we identify ZnSe as a nearly ideal n-type emitter for a Zn₃P₂ PV device. Finally, various II-VI/Zn₃P₂ heterojunction solar cells designs are fabricated, including substrate and superstrate architectures, and evaluated based on their solar conversion efficiency.

Solar System Small-Body Demographics with the Palomar Transient Factory Survey

Observational studies of our solar system's small-body populations (asteroids and comets) offer insight into the history of our planetary system, as these minor planets represent the left-over building blocks from its formation. The Palomar Transient Factory (PTF) survey began in 2009 as the latest wide-field sky-survey program to be conducted on the 1.2-meter Samuel Oschin telescope at Palomar Observatory. Though its main science program has been the discovery of high-energy extragalactic sources (such as supernovae), during its first five years PTF has collected nearly five million observations of over half a million unique solar system small bodies. This thesis begins to analyze this vast data set to address key population-level science topics, including: the detection rates of rare main-belt comets and small near-Earth asteroids, the spin and shape properties of asteroids as inferred from their lightcurves, the applicability of this visible light data to the interpretation of ultraviolet asteroid observations, and a comparison of the physical properties of main-belt and Jovian Trojan asteroids. Future sky-surveys would benefit from application of the analytical techniques presented herein, which include novel modeling methods and unique applications of machine-learning classification. The PTF asteroid small-body data produced in the course of this thesis work should remain a fertile source of solar system science and discovery for years to come.

基于傅里叶变换的光纤探头光谱特性校正方法的研究

针对光纤自身对光谱的非线性衰减的影响，提出了一种基于傅里叶变换的光谱校正方法。首先对是否经过光纤的两种情况下光电倍增管的输出电流进行傅里叶变换，得到光谱频域中的校正函数，然后通过傅里叶逆变换得到光谱域中的校正函数。为实现测试，建立一个光电检测系统，在可见光范围内进行测试。分别对是否带有光纤的两种情况下数据进行采集，使用该校正方法可以使光线的衰减得到较好的修正，误差小于1．54％。实验结果表明，该方法对特定的光纤传导系统的光谱非线性衰减有较好的校正效果。

A wideband sensitive holographic photopolymer

A novel wideband sensitive dry holographic photopolymer sensitized by rose bengal (RB) and methylene blue (MB) is fabricated, the holographic storage characteristics of which are investigated under different exposure wavelengths. The result shows that the sensitive spectral band exceeds 200 nm in visible light range, the maximum diffraction efficiency under different exposure wavelengths is more than 40% and decreases with the decrease of exposure wavelength, the exposure sensitivity is not change with the exposure wavelength. This photopolymer is appropriate for wavelength multiplexing or multi-wavelength recording in digital holographic storage.

Photoluminescence of undoped and B-doped ZnO in silicate glasses

Photoluminescence of undoped and B-doped ZnO in silicate glasses was investigated by varying the concentration of ZnO (3550 mol%) and B dopant (0-10 mol%) in the glass matrices. The broad and intense near band edge emissions were observed while the visible light emission was very weak. UV luminescence in all samples was red-shifted relative to the exciton transition in bulk ZnO and enhanced by decreased ZnO concentration due to higher degree of structural integrity and the lower aggregation degree of ZnO. Donor B dopant played the double roles of filling conduction bands to broaden band gap when its concentration was lower than 5 mol%, and emerging with conduction bands to narrow the gap when B dopant exceeded this value. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

基于上转换发光技术的生物传感器及其应用

为实现对特定生物分子的高灵敏度快速检测与分析。采用上转换发光材料作为标记物，研制成功一台基于上转换发光技术的新型光学免疫生物传感器。该传感器利用上转换发光材料在红外光激发下发射可见磷光的特性，通过对免疫层析试纸条上经生物反应而结合上去的上转换发光材料颗粒的含量进行检测，计算出被测样品中特定生物分子的浓度。实验结果表明，该传感器具有较好的生物特异性，对兔抗鼠疫免疫球蛋白(IgG)标准样品的检测灵敏度达到ng／ml量级，并在200～6000ng／ml浓度范围内具有良好的线性响应特性，相关系数R^2≥0．95；

射频磁控溅射法制备TiO2-xNX薄膜的结构性能研究

利用射频磁控溅射法室温下在Si（100）衬底上制备了N掺杂的TiO2薄膜，并且采用x射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和透射光谱对薄膜进行了表征。XRD结果表明在纯Ar和N2（33．3％）／Ar气氛下制备的TiO2-xNx薄膜均为单一的金红石相，薄膜结晶性良好，呈高度（211）择优取向，而在N2（50．0％）／Ar下制备的薄膜结晶性明显变差；对于N掺杂的TiO2薄膜，XPS表明部分N原子进入TiO2晶格，并且以N—Ti—O、N—O键以及间隙式N原子形式存在；透射光谱表明掺N后的TiO2薄膜吸收边发生了红移。

ZnO : Zn phosphor thin films prepared by face-to-face annealing

ZnO:Zn phosphor thin films were prepared by face-to-face annealing at 450 degrees C in air. The effects of the face-to-face annealing on the structural and optical properties of the ZnO films were investigated by X-ray diffraction (XRD), photoluminescence (PL), optical transmittance and absorption measurements. Measurement results showed that the crystal quality of ZnO films was improved by face-to-face annealing. Both UV light emission and visible light emission were enhanced compared to those of open annealing films. The UV emission peak was observed to have a blueshift towards higher energy. The optical band-gap edge of as-annealed films shifted towards longer wavelength. (c) 2005 Elsevier B.V.. All rights reserved.

Estudo do reparo das lesões induzidas no DNA de Escherichia coli pela radiação ultravioleta C (UVC)

Didaticamente, podemos dividir o espectro da radiação ultravioleta (UV) em três faixas: UVA (400 a 320 nm), UVB (320 a 290 nm) e UVC (290 a 100 nm). Apesar do UVC ou UV-curto ser eficientemente filtrado pela camada de ozônio da Terra e sua atmosfera, este é uma das faixas do espectro de UV mais usadas para explorar as consequências de danos causados ao DNA, já que a letalidade induzida por este agente está relacionada aos danos diretos no genoma celular, como as lesões dímero de pirimidina, que são letais se não reparadas. Contudo, demonstrou-se que a radiação UVC pode gerar espécies reativas de oxigênio (ERO), como o oxigênio singleto (1O2). Embora, o radical hidroxil (OH) cause modificações oxidativas nas bases de DNA, alguns trabalhos indicam que o 1O2 também está envolvido nos danos oxidativos no DNA. Esta ERO é produzida por vários sistemas biológicos e reações fotossensibilização, quando cromóforos são expostos à luz visível ou são excitados pela luz UV, permitindo que essa energia possa ser transferida para o oxigênio sendo convertido em 1O2, que é conhecido por modificar resíduos de guanina, gerando 8-oxoG, que caso não seja reparada pode gerar uma transversão GC-TA. O objetivo deste trabalho foi o de elucidar a participação de ERO nos efeitos genotóxicos e mutagênicos gerados pela radiação UVC, assim como as enzimas envolvidas no processo de reparação destas lesões em células de Escherichia coli. Nos ensaios as culturas foram irradiadas com o UVC (254 nm; 15W General Electric G15T8 germicidal lamp, USA). Nossos resultados mostram que o uso de quelantes de ferro não alterou a letalidade induzida pelo UVC. A azida sódica, um captador de 1O2, protegeu as cepas contra os danos genotóxicos gerados pelo UVC e também diminuiu a frequência de mutações induzidas no teste com rifampicina. A reversão específica GC-TA foi induzida mais de 2,5 vezes no ensaio de mutagênese. A cepa deficiente na proteína de reparo Fpg, enzima que corrige a lesão 8-oxoG, apresentou menos quebras no DNA do que a cepa selvagem no ensaio de eletroforese alcalina. A letalidade induzida pelo UVC foi aumentada nos mutantes transformados com o plasmídeo pFPG, ao mesmo tempo que representou uma redução na indução mutagênica. Houve dimuição na eficiência de transformação com plasmídeo pUC 9.1 na cepa fpg quando comparado a cepa selvagem. Assim como, um aumento da sensibilidade ao UVC na associação entre mutantes fpg e uvrA. Estes resultados mostram que o 1O2 participa dos danos induzidos pelo UVC, através da geração da lesão 8-oxoG, uma lesão mutagênica, que é reparada pela proteína Fpg

Síntese e caracterização de TiO2 puro e modificado para aplicações ambientais

Fotocatalisadores baseados em nanopartículas de dióxido de titânio modificados fornecem soluções em potencial para a mineralização de poluentes orgânicos em meio aquoso. Agentes modificadores têm sido amplamente investigados com o objetivo de promover a fotoativação pela luz visível. Foram estudadas a nível fundamental até aqui, as modificações estruturais, texturais e óticas causadas pela introdução de silício e nitrogênio na rede da titânia. Titânias puras (TiO2) e modificadas nanoestruturadas, particularmente titânias modificadas com silício (TiO2-SiO2), com razões atômicas Si/Ti de 0,1, 0,2 e 0,3 foram sintetizadas pelo método sol-gel a partir da hidrólise ácida de isopropóxido de titânio(IV) e tetraetoxisilano. As metodolo-gias sintéticas desenvolvidas tentaram aderir aos princípios da Química Verde, dispensando o uso de atmosfera inerte e temperatura e pressão elevadas, o que foi alcançado utilizando-se, principalmente, a agitação ultrassônica. Titânias modificadas com silício e dopadas com ni-trogênio (TiO2-SiO2-N) foram obtidas a partir do pré-tratamento de TiO2-SiO2 a 500 C ao ar e então submetidas ao fluxo de amônia (NH3) a 600 C por 1-3 h e, após resfriamento, foram recozidas a 400 C ao ar. Amostras distintas foram caracterizadas, na forma de pó seco e após calcinação entre 400600 C, por difração de raios X, adsorção de nitrogênio, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. As titânias pu-ras, obtidas principalmente variando-se a razão de hidrólise, foram cristalizadas na forma de anatásio como fase predominante até 600 C, além de traços de brookita presente até 500 C. O rutilo foi identificado a partir de 600 C como fase minoritária, embora apresentando tama-nhos de cristal significativamente maiores que os estimados para o cristal de anatásio. As titâ-nias modificadas com até 20% de silício apresentaram notável estabilidade térmica, evidenci-ada pela presença exclusiva de anatásio até 900 C. Foi também observado o aparecimento de macroporos com diâmetro médio em torno de 55 nm após calcinação a 400 C, diferentemente do que se observou nas amostras em geral. A introdução de baixo teor de silício assegurou às titânias calcinadas valores elevados de área específica, atribuído ao efeito de contenção acentuada na taxa de crescimento do cristal. As titânias modificadas com silício e as titânias puras obtidas com taxa de hidrólise 25:1 para a razão H2O : Ti apresentaram mesoporos com diâmetros médios de mesma dimensão do cristal. As titânias modificadas com silício e dopa-das com nitrogênio apresentaram absorção na região visível entre 400-480 nm, com discreta redução da energia de band gap para as transições eletrônicas consideradas. Titânias calcina-das a 300−400 C apresentaram desempenho fotocatalítico semelhante ao TiO2 P25 da De-gussa sob irradiação UV, na degradação do azo corante Reactive Yellow 145 em soluções a-quosas em pH 5 a 20 1C

Sínteses e caracterizações de TiO2 puro, dopado e co-dopado pelo método sol-gel e suas atividades fotocatalíticas

Nanopartículas de dióxido de titânio vêm sendo extensamente empregadas como fotocatalisa-dores, já que são eficientes na degradação de diversos poluentes. Visando a obtenção de titâ-nias com diferentes propriedades, realizaram-se sínteses através do método sol-gel, a partir da hidrólise do tetraisopropóxido de titânio (IV) TIPP e seguindo-se os princípios da Química Verde, dispensando-se temperaturas e pressões elevadas. Foi estudada a influência de dife-rentes parâmetros, como: pH, solvente, razão molar álcool/TIPP e ordem de adição dos rea-gentes. Foram obtidas titânias na forma cristalina anatásio, nanométricas, com elevadas áreas superficiais específicas e predominantemente mesoporosas. Visando-se obter titânias com melhores propriedades óticas, isto é, capazes de sofrer a fotoativação pela luz visível, foram sintetizadas titânias dopadas e co-dopadas com os metais ferro e rutênio (Fe3+ e Ru3+) e o a-metal N (N3). A síntese desses materiais também foi realizada através do método sol-gel, sendo a dopagem realizada durante o processo de hidrólise. As amostras foram caracterizadas na forma de pó por difração de raios-X, adsorção-dessorção de nitrogênio, microscopia ele-trônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. A titânia pura a-presentou como única fase cristalina o anatásio, quando calcinada até 400 C, com a presença de traços de brookita. A partir de 600 C, observou-se o aparecimento da fase rutilo, que em 900C foi a única fase encontrada na titânia. A dopagem com Ru3+dificultou a transformação de fase anatásio para rutilo, ao contrário da dopagem com Fe3+. O processo de co-dopagem acelerou a formação de rutilo, que se apresentou como única fase nas amostras calcinadas a 600 C. As titânias dopadas apresentaram uma leve diminuição na energia de bandgap, sendo os dopantes capazes de deslocar a absorção para o vermelho. Foram realizados testes fotoca-talíticos visando à degradação do azocorante Reactive Yellow 145 com lâmpada de vapor de mercúrio de 125 W a fim de se comparar as atividades fotocatalíticas das titânias puras, dopa-das e co-dopadas, calcinadas a 300C. De todas as titânias sintetizadas, a titânia pura foi a que melhor degradou o corante, tendo um desempenho semelhante ao do TiO2 P25, da Evo-nik

Uso das técnicas de microbalança de cristal de quartzo e espectroscopia fotoacústica para estudo e monitoramento do processo de fotocura de resinas odontológicas

As resinas fotocuradas são amplamente utilizadas em odontologia. Este processo de cura é assistido pela luz visível que promove ligações químicas que as endurecem. Nesta dissertação, as resinas odontológicas fotocuradas comerciais das marcas Opallis Flow A1, A2, AO 3,5, T, Opallis DA2, Natural Flow e Ebecryl 3720-TP25 foram caracterizadas empregando as técnicas de microbalança de cristal de quartzo (QCM) e espectroscopia fotoacústica (PAS) à temperatura ambiente. A espectroscopia fotoacústica foi utilizada para avaliar a região do espectro eletromagnético responsável pela fotocura das resinas odontológicas. Desta forma, conhecendo-se o comprimento de onda da absorção da resina, possibilitou realizar o processo de fotocura. Adicionalmente, foi possível monitorar o processo de fotocura com a técnica de microbalança. A frequência de ressonância do cristal da microbalança se modifica com a fotocura das resinas estudadas. Deste modo, foi possível estimar por QCM, o tempo de cura para os comprimentos de ondas caracterizados por PAS.

Desenvolvimento de metodologias para a determinação da atividade biogênica de bactérias redutoras de sulfato

A corrosão causada por H2S biogênico frequentemente resulta em danos extensos na indústria do petróleo. O presente trabalho avaliou parâmetros de crescimento microbiano e aplicou metodologias de determinação de sulfetos por técnicas espectrofotométrica na região da luz visível e radiorespirométrica para avaliação da atividade metabólica, correlacionando com a população de bactérias redutoras de sulfato, determinada através da técnica do Número Mais Provável (NMP). Amostras de água de formação e consórcio de BRS foram avaliadas através do arraste de sulfetos estáveis produzidos biogenicamente e quantificados por espectrofotometria. O cálculo das velocidades instantâneas e específicas de produção de sulfetos permitiu avaliar de que maneira alguns parâmetros de crescimento microbiano podem afetar o metabolismo das BRS. A detecção de concentrações traço de sulfetos biogênicos pode ser realizada através de ensaios radiorespirométricos. Para isto, diluições em série de água do mar sintética com três amostras distintas foram avaliadas. Os testes realizados indicam que o acréscimo do tempo de incubação de cultura microbiana anaeróbia mista contribuiu para o aumento das capacidades de redução de sulfato, assim como o aumento das fontes de carbono. Ambas as técnicas provaram ser um rápido teste para a detecção de sulfetos biogênicos, particularmente aqueles associados aos produtos de corrosão, sendo uma ferramenta muito útil para monitoração e controle de tanques de armazenamento de água e óleo, plataformas continentais de petróleo e diversos tipos de reservatórios. O presente trabalho prevê a continuidade dos experimentos, através de avaliação de um maior universo de amostras da indústria do petróleo e medições menos espaçadas da técnica espectrofotométrica, além da avaliação radiorespirométrica em modo contínuo, evitando os efeitos inibitórios do H2S

Single UV excitation of Hoechst 33342 and propidium iodide for viability assessment of rhesus monkey spermatozoa using flow cytometry

Many fluorescent probes excited by visible light have been used to assess sperm quality by flow cytometry. Developing a viability evaluation method using UV excited stains would be useful for multiparameter analysis of sperm function. This investigation was conducted to determine the efficacy of Hoechst 33342 (H342) and propidium iodide (PI) dual staining for evaluating rhesus monkey sperm viability through use of flow cytometry and excited by a single UV laser. The results showed that the live cells stained only with H342 strongly correlated with expected sperm viability, and flow cytometric analyses were highly correlated with fluorescence microscopic observation. Using H342/PI/SYBR-14 triple staining method, it was found that the live/dead sperm distributions were completely concordant in both H342/PI and SYBR-14/PI assays. In addition, this dual staining was extended with fluorescein isothiocyanate-conjugated peanut agglutinin (FITC-PNA) to simultaneously analyze viability and acrosome integrity of sperm cryopreserved using two different extenders, TTE and TEST, and indicated that TTE offered better Preservation of plasma and acrosome integrity than TEST Therefore, the H342/PI dual staining provides an accurate technique for evaluating viability of rhesus monkey sperm and should be valuable for multiparameter flow cytometric analysis of sperm function.