Time-resolved study electronic and thermal contributions to the nonlinear refractive index of Nd3+: SBN laser crystals

The propagation of an optical beam through dielectric media induces changes in the refractive index, An, which causes self-focusing or self-defocusing. In the particular case of ion-doped solids, there are thermal and non-thermal lens effects, where the latter is due to the polarizability difference, Delta alpha, between the excited and ground states, the so-called population lens (PL) effect. PL is a pure electronic contribution to the nonlinearity, while the thermal lens (TL) effect is caused by the conversion of part of the absorbed energy into heat. In time-resolved measurements such as Z-scan and TL transient experiments, it is not easy to separate these two contributions to nonlinear refractive index because they usually have similar response times. In this work, we performed time-resolved measurements using both Z-scan and mode mismatched TL in order to discriminate thermal and electronic contributions to the laser-induced refractive index change of the Nd3+-doped Strontium Barium Niobate (SrxBa1-xNb2O6) laser crystal. Combining numerical simulations with experimental results we could successfully distinguish between the two contributions to An. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fluorescence spectroscopy as a tool to detect and evaluate glucocorticoid-induced skin atrophy

Topical glucocorticoid (GC) therapy has been successfully used in the treatment of several common cutaneous diseases in clinical practice for a long time, and skin atrophy is one of the most typical cutaneous side effects of this therapy. The aim of this study was to evaluate the potential of noninvasive fluorescence spectroscopy (FS) technique in the detection and classification of GC-induced skin atrophy. A total of 20 male Wistar rats were used in the experimental protocol under controlled environmental conditions and with free access to food. One group received topical application of clobetasol propionate 0.05% for 14 days to induce cutaneous atrophy (atrophic group) and the other (control) group received only vehicle application following the same protocol and schedule. Histological analyses and FS measurements with laser excitation at both 532 nm and 408 nm were obtained on days 1 and 15. The FS results were classified as "normal" or "atrophic" according by histological analysis. Fluorescence spectra obtained with excitation at 408 nm allowed a clear distinction between the control and atrophic groups, and were more informative than the those obtained at 532 nm. Our results reveal that, if correctly applied, FS allows noninvasive evaluation of corticosteroid-induced skin atrophy, and thus represents an important step towards better monitoring of undesirable side effects of cutaneous therapy.

Oxidierte Kohlenwasserstoffe in der oberen Troposphäre: Kinetische Untersuchungen zum Abbau und Einfluss auf HO x und Ozon-Chemie

Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Kinetik der Reaktion des OH-Radikals mit Glykolaldehyd (HOCH2CHO). Die Geschwindigkeitskonstante k1 wurde für diese Reaktion temperaturabhängig bestimmt. Durch gepulste Photolyse wurden OH-Radikale erzeugt. Anschließend wurde die laserinduzierte Fluoreszenz der OH-Radikale bei 309 nm detektiert. Die ermittelte Geschwindigkeitskonstante k1 für die Reaktion von OH mit HOCH2CHO von (8,0 ± 0,8) x 10-12 cm3 Teilchen-1 s-1 erweist sich für den Temperaturbereich von 240 K < T < 362 K als temperaturunabhängig. Zwischen 60 und 250 Torr kann zudem keine Druckabhängigkeit für k1 beobachtet werden. Die unerwartet niedrigere Geschwindigkeitskonstante für die betrachtete Reaktion im Vergleich zur Reaktion von OH mit CH3CHO konnte anhand von Überlegungen zur Korrelation zwischen der C-H-Bindungsstärke und dem H-Abstraktionskanal erklärt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Photochemie von Aceton (CH3C(O)CH3), Methylethylketon (C2H5C(O)CH3, MEK) und Acetylbromid (CH3C(O)Br) betrachtet. Für die Photolyse von Aceton (bei 248 nm und 266 nm), MEK (bei 248 nm) und Acetylbromid (bei 248 nm) wurden bei 298 ± 3 K druckabhängig zwischen 5 und 1600 Torr N2 Quantenausbeuten für die Methylbildung (Phi(CH3)) bestimmt. Nach gepulster Photolyse der betrachteten Moleküle wurden die transienten Absorptionssignale der Methylradikale bei 216,4 nm verfolgt. Die Quantenausbeuten wurden relativ zur Photolyse von Methyliodid (CH3I) unter gleichen Reaktionsbedingungen ermittelt. Die erhaltenen Quantenausbeuten für CH3-Radikale nehmen für die beiden Systeme Aceton / 248 nm (Phi(CH3, Aceton) = 1,42 – 0,99) und MEK / 248 nm (Phi(CH3, MEK) = 0,45 – 0,19) druckabhängig zu hohen Drücken ab. Die Druckabhängigkeit von Phi(CH3) wird auf die Konkurrenz zwischen Stoßrelaxation und Dissoziation der schwingungsangeregten Acetylradikale (CH3CO#) zurückgeführt. Für das System Aceton / 266 nm wird keine Druckabhängigkeit von Phi(CH3) = 0,93 ± 0,1 beobachtet. Dies wird damit erklärt, dass CH3CO# nicht genügend Energie besitzt, um die Barriere zur Dissoziation zu überschreiten. Bei der Photolyse von Acetylbromid bei 248 nm wird druckunabhängig Phi(CH3) = 0,92 ± 0,10 bestimmt. In diesem System dissoziieren die schwingungsangeregten Acetylradikale bei allen Drücken vollständig. Bei 266 nm wurde die Gesamtquantenausbeute für die Photodissoziation von Aceton (Phi(diss, 266nm)) bestimmt. Die nach Photolyse erhaltenen Methyl - und Acetylradikale wurden nach Titration mit Br2 durch die Resonanzfluoreszenz der Bromatome detektiert. Phi(diss, 266nm) wurde mit 0,92 ± 0,07 bestimmt.

Laser heating of polymers

Zur Untersuchung von Effekten beim Laserheizen von Polymeren wurde ein Temperaturmessaufbau entwickelt. Das Messprinzip basiert auf der Auswertung der thermischen Emission. Der Messaufbau besteht aus einer hochauflösenden Kamera, ausgestattet mit Bildverstärker, sowie Interferenzfiltern um eine spektrale Auflösung zu gewährleisten und einem gepulster NIR-Heizlaser. Die Pulsdauer des Lasers liegt in der Größenordnung von 10 µs, der Strahldurchmesser durch entsprechende Fokussierung in der Größenordnung von 10 µm. Mittels Fit des Planck‘schen Strahlungsgesetzes an die aufgenommene thermische Emission konnten 2D Temperaturgraphen erhalten werden. Eine Ortsauflösung von 1 µm und eine Zeitauflösung von 1 µs konnten realisiert werden. In Kombination mit Finite-Elemente-Simulationen wurde mit diesem Aufbau die Laserablation verschiedener Polymere untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bei Polymeren mit einem Glasübergang im Temperaturbereich zwischen Raum- und Zerfallstemperatur, photomechanische Ablation stattfand. Die Ablationsschwelle lag für diese Polymere mehrere 10 K über dem Glasübergang, weit unter der Zerfallstemperatur aus thermogravimetrischen Experimenten mit typischen Heizraten von 10 K/min. Bei hohen Laserenergien und damit verbundenen hohen Temperaturen konnte dagegen thermischer Zerfall beobachtet werden. Ein Übergang des Mechanismus von photomechanischer Ablation zu Ablation durch thermischen Zerfall ergab sich bei Temperaturen deutlich über der Zerfallstemperatur des Polymers aus der Thermogravimetrie. Dies wurde bedingt durch die kurzen Reaktionszeiten des Laserexperiments in der Größenordnung der Pulsdauer und steht im Einklang mit dem Gesetz von Arrhenius. Polymere ohne Glasübergang im Heizbereich zeigten dagegen keine photomechanische Ablation, sondern ausschließlich thermischen Zerfall. Die Ablationsschwelle lag auch hier bei höheren Temperaturen, entsprechend dem Gesetz von Arrhenius. Hohe Temperaturen, mehrere 100 K über der Zerfallstemperatur, ergaben sich darüber hinaus bei hohen Laserenergien. Ein drastisches Überhitzen des Polymers, wie in der Literatur beschrieben, konnte nicht beobachtet werden. Experimentelle Befunde deuten vielmehr darauf hin, dass es sich bei dem heißen Material um thermische Zerfallsprodukte, Polymerfragmente, Monomer und Zerfallsprodukte des Monomers handelte bzw. das Temperaturprofil der Zerfallsreaktion selbst visualisiert wurde.

Kinetische Studien zur OH-Bildung über die Reaktionen von HO 2 mit organischen Peroxyradikalen

Es wurde untersucht, wie sich das Substitutionsmuster organischer Peroxyradikale (RO2) auf die Ratenkonstante k1 und die Verzweigungsverhältnisse α, β und γ der Reaktionen von RO2 mit HO2 auswirkt. Die Effekte der Deuterierung von HO2 wurden ebenfalls studiert. Für zwei RO2 wurde zusätzlich das UV-Absorptionsspektrum bestimmt.rnrn αrnRO2 + HO2 → RO + OH + O2 R1arnrn βrn → RO2H + O2 R1brnrn γrn → ROH + O3 R1crnrnIn dieser Arbeit wurde ein neues Experiment aufgebaut. Für die direkte und zeitaufgelöste Messung der OH-Konzentration wurde das Verfahren der Laser-induzierten Fluoreszenz angewendet. Die Radikalerzeugung erfolgte mittels gepulster Laserphotolyse, wodurch unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt werden konnten. Mittels transienter Absorptionsspektroskopie konnten die Menge der photolytisch erzeugten Radikale bestimmt und die Ozonbildung über R1c quantifiziert werden. Für die Auswertung wurden kinetische Modelle numerisch an die Messdaten angepasst. Um die experimentellen Unsicherheiten abzuschätzen, wurde ein Monte-Carlo-Ansatz gewählt.rnrnk1 und α reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen des RO2-Substitutionsmusters. Während sich eine OH-Bildung für das unsubstituierte C2H5O2 (EtP) mit α EtP ≤ 5 % nicht nachweisen lässt, stellt R1a bei den α-Oxo-substituierten H3CC(O)O2 (AcP) und HOCH2C(O)O2 (HAP) mit α AcP = (63 ± 11) % bzw. α HAP = (69 ± 12) % den Hauptkanal dar. Wie die mit α HEP = (10 ± 4) % geringfügige OH-Bildung bei HOC2H4O2 (HEP) zeigt, nimmt die OH-Gruppe in β-Stellung weniger Einfluss auf den Wert von α als die Oxogruppe in α-Stellung. Bei der Erzeugung α-Oxo-substituierter RO2 kann ebenfalls OH entstehen (R+O2→RO2/OH). Die Druckabhängigkeit dieser OH-Quelle wurde mit einem innovativen Ansatz bestimmt. Mit γ AcP = (15+5-6) % bzw. γ HAP = (10+2-3) % lässt sich für die Reaktionen der α-Oxo-substituierten RO2 eine erhebliche Ozonbildung nachweisen. Durch die Einführung der α-Oxogruppe steigt k1 jeweils um 1,3 • 10-11 cm3s-1 an, der Effekt der β-Hydroxygruppe ist halb so groß (k1 AcP = (2,0 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1, k1 HAP = (2,6 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Das Verzweigungsverhältnis α steigt weiter, wenn das HO2 deuteriert wird (α AcP,iso = (80 ± 14) %, k1 AcP,iso = (2,1 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Vergleiche mit älteren Studien zeigen, dass die OH-Bildung über R1a bislang deutlich unterschätzt worden ist. Die möglichen Ursachen für die Unterschiede zwischen den Studien werden ebenso diskutiert wie die Hintergründe der beobachteten Substituenteneffekte.

Space-qualified laser system for the BepiColombo Laser Altimeter

The space-qualified design of a miniaturized laser for pulsed operation at a wavelength of 1064 nm and at repetition rates up to 10 Hz is presented. This laser consists of a pair of diode-laser pumped, actively q-switched Nd:YAG rod oscillators hermetically sealed and encapsulated in an environment of dry synthetic air. The system delivers at least 300 million laser pulses with 50 mJ energy and 5 ns pulse width (FWHM). It will be launched in 2017 aboard European Space Agency’s Mercury Planetary Orbiter as part of the BepiColombo Laser Altimeter, which, after a 6-years cruise, will start recording topographic data from orbital altitudes between 400 and 1500 km above Mercury’s surface.

Laser-mediated, site-specific inactivation of RNA transcripts

The biological function of specific gene products often is determined experimentally by blocking their expression in an organism and observing the resulting phenotype. Chromophore-assisted laser inactivation using malachite green (MG)-tagged antibodies makes it possible to inactivate target proteins in a highly restricted manner, probing their temporally and spatially resolved functions. In this report, we describe the isolation and in vitro characterization of a MG-binding RNA motif that may enable the same high-resolution analysis of gene function specifically at the RNA level (RNA-chromophore-assisted laser inactivation). A well-defined asymmetric internal bulge within an RNA duplex allows high affinity and high specificity binding by MG. Laser irradiation in the presence of low concentrations of MG induces destruction of the MG-binding RNA but not of coincubated control RNA. Laser-induced hydrolysis of the MG-binding RNA is restricted predominantly to a single nucleotide within the bulge. By appropriately incorporating this motif into a target gene, transcripts generated by the gene may be effectively tagged for laser-mediated destruction.

Protonation dynamics of the extracellular and cytoplasmic surface of bacteriorhodopsin in the purple membrane.

The dynamics of proton binding to the extracellular and the cytoplasmic surfaces of the purple membrane were measured by laser-induced proton pulses. Purple membranes, selectively labeled by fluorescein at Lys-129 of bacteriorhodopsin, were pulsed by protons released in the aqueous bulk from excited pyranine (8-hydroxy-1,3,6-pyrenetrisulfonate) and the reaction of protons with the indicators was measured. Kinetic analysis of the data imply that the two faces of the membrane differ in their buffer capacities and in their rates of interaction with bulk protons. The extracellular surface of the purple membrane contains one anionic proton binding site per protein molecule with pK = 5.1. This site is within a Coulomb cage radius (approximately 15 A) from Lys-129. The cytoplasmic surface of the purple membrane bears 4-5 protonable moieties (pK = 5.1) that, due to close proximity, function as a common proton binding site. The reaction of the proton with this cluster is at a very fast rate (3.10(10) M-1.s-1). The proximity between the elements is sufficiently high that even in 100 mM NaCl they still function as a cluster. Extraction of the chromophore retinal from the protein has a marked effect on the carboxylates of the cytoplasmic surface, and two to three of them assume positions that almost bar their reaction with bulk protons. The protonation dynamics determined at the surface of the purple membrane is of relevance both for the vectorial proton transport mechanism of bacteriorhodopsin and for energy coupling, not only in halobacteria, but also in complex chemiosmotic systems such as mitochondrial and thylakoid membranes.

Highly refractive index sensitive femtosecond laser inscribed long period gratings

The distinct behaviour of femtosecond laser inscribed long period gratings, with a non-uniform index perturbation within the optical fibre core, has been studied experimentally. The non-uniform laser-induced perturbation results in light coupling from the core mode to a greater number of cladding modes than is the case with their UV laser inscribed counterparts, and this is made evident from the surrounding refractive index (SRI) grating response. Femtosecond inscribed long period gratings are shown to simultaneously couple to multiple sets of cladding modes. A 400μm LPG is shown to result in attenuation peaks that have both blue and red wavelength shifts over a 1250nm to 1700nm wavelength range. This gives rise to SRI sensitivities far greater than anything achievable by monitoring a single attenuation peak. The maximum sensitivity produced by monitoring a single attenuation peak was 1106nm/RIU, whereas monitoring opposing wavelength shifts resulted in a significantly improved sensitivity of 1680nm/RIU. © 2011 Copyright Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE).

A comparison of the spectral properties of high temperature annealed long period gratings inscribed by fs laser, UV and fusion-arc

Long period gratings have been inscribed in standard single mode fibre using a fs laser system, a fusion arc and a UV laser and a comparative study carried out of their thermal behaviour. The fs laser induced gratings can survive temperatures in excess of 800&deg;C, however the inscription process can induce considerable birefringence within the device. Annealing studies have been carried out showing that below 600&deg;C, all three grating types show a blue shift in their room temperature resonance wavelengths following cyclic heating, while above 600&deg;C, the UV and arc induced LPGs exhibit a red shift, with the fs LPG showing an even stronger blue shift. High temperature annealing is also shown to considerably reduce the birefringence induced by the fs inscription process.

Waveguide fabrication in lithium-niobo-phosphate glasses by high repetition rate femtosecond laser:route to non-equilibrium material’s states

We study waveguide fabrication in lithium-niobo-phosphate glass, aiming at a practical method of single-stage fabrication of nonlinear integrated-optics devices. We observed chemical transformations or material redistribution during the course of high repetition rate femtosecond laser inscription. We believe that the laser-induced ultrafast heating and cooling followed by elements diffusion on a microscopic scale opens the way toward the engineering non-equilibrium sates of matter and thus can further enhance Refractive Index (RI) contrasts by virtue of changing glass composition in and around the fs tracks. © 2014 Optical Society of America.

A comparison of the spectral properties of high temperature annealed long period gratings inscribed by fs laser, UV and fusion-arc

Long period gratings have been inscribed in standard single mode fibre using a fs laser system, a fusion arc and a UV laser and a comparative study carried out of their thermal behaviour. The fs laser induced gratings can survive temperatures in excess of 800°C, however the inscription process can induce considerable birefringence within the device. Annealing studies have been carried out showing that below 600°C, all three grating types show a blue shift in their room temperature resonance wavelengths following cyclic heating, while above 600°C, the UV and arc induced LPGs exhibit a red shift, with the fs LPG showing an even stronger blue shift. High temperature annealing is also shown to considerably reduce the birefringence induced by the fs inscription process.

Characterization of nanoparticle mediated laser transfection by femtosecond laser pulses for applications in molecular medicine

Background: In molecular medicine, the manipulation of cells is prerequisite to evaluate genes as therapeutic targets or to transfect cells to develop cell therapeutic strategies. To achieve these purposes it is essential that given transfection techniques are capable of handling high cell numbers in reasonable time spans. To fulfill this demand, an alternative nanoparticle mediated laser transfection method is presented herein. The fs-laser excitation of cell-adhered gold nanoparticles evokes localized membrane permeabilization and enables an inflow of extracellular molecules into cells. Results: The parameters for an efficient and gentle cell manipulation are evaluated in detail. Efficiencies of 90% with a cell viability of 93% were achieved for siRNA transfection. The proof for a molecular medical approach is demonstrated by highly efficient knock down of the oncogene HMGA2 in a rapidly proliferating prostate carcinoma in vitro model using siRNA. Additionally, investigations concerning the initial perforation mechanism are conducted. Next to theoretical simulations, the laser induced effects are experimentally investigated by spectrometric and microscopic analysis. The results indicate that near field effects are the initial mechanism of membrane permeabilization. Conclusion: This methodical approach combined with an automated setup, allows a high throughput targeting of several 100,000 cells within seconds, providing an excellent tool for in vitro applications in molecular medicine. NIR fs lasers are characterized by specific advantages when compared to lasers employing longer (ps/ns) pulses in the visible regime. The NIR fs pulses generate low thermal impact while allowing high penetration depths into tissue. Therefore fs lasers could be used for prospective in vivo applications.

Determinação de metais em óleos lubrificantes utilizando a técnica de espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser

IPEN/D

Direct observation of the gas phase reaction of the cyclohexyl radical with dioxygen using a distonic radical ion approach

Alkylperoxyl radicals are intermediates in the oxidation Of hydrocarbons. The reactive nature of these intermediates, however, has made therin elusive to direct observation and isolation. We have employed ion trap mass spectrometry to synthesize and characterize 4-carboxylatocyclohexyl radical anions ((center dot)C(6)H(10)-CO(2)(-)) and observe their reactivity in the presence of dioxygen. The resulting reaction is facile (k = 1.8 x 10(-10) cm(3) molecule(-1) s(-1) or 30% of calculated collision rate) and results in (i) the addition Of O(2) to form stabilized 4-carboxylatocyclohexylperoxyl radical anions ((center dot)OO-C(6)H(10)-CO(2)(-)), providing the first direct observation of a cyclohexylperoxyl radical, and (ii) elimination of HO(2)(center dot) and HO(center dot) radicals consistent with recent laser-induced fluorescence studies of the reaction of neutral cyclohexyl radicals with O(2). Electronic structure calculations at the B3LYP/6-31+G(d) level of theory reveal viable pathways for the observed reactions showing that formation of the peroxyl radical is exothermic by 37 kcal mol(-1) with subsequent transition states its low as -6.6 kcal mol(-1) (formation of HO(2)(center dot)) and -9.1 kcal mol(-1) (formation of HO(center dot)) with respect to the entrance channel. The combined computational and experimental data Suggest that the structures of the reaction products correspond to cyclohexenes and epoxides from HO(2)(center dot) and HO(center dot) loss, respectively, while alternative pathways leading to cyclohexanone or ring-opened isomers ate not observed, Activation of the charged peroxyl radical (center dot)OO-C(6)H(10)-CO(2)(-) by collision induced disassociation also results in the loss Of HO(2)(center dot) and HO(center dot) radicals confirming that these products are directly connected to the peroxyl radical intermediate.