Modification and enhanced photocatalytic activity of TiO2 following exposure to non-linear irradiation sources

The effects of high power pulsed laser light on a TiO2 photocatalyst (powder and 0.1% (w/v) aqueous suspension) are reported. When this material was irradiated with a laser of power over 0.8 MW peak pulse power at 355 nm wavelength a visible change in colour from white to dark blue was observed. The initial rate of change of the total colour difference is related to the laser power; the stronger the laser power the darker the colour change. The result of X-ray diffraction studies indicates that the crystal structure of the TiO2 developed a more rutile form after laser exposure. Electron microscopic studies showed that spherical shaped particles of TiO2 were observed after laser treatment. Preliminary results show enhanced photocatalytic activity for the destruction of methylene blue. (C) 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved.

The development of a surface defect machining method for hard turning processes

Hard turning (HT) is a material removal process employing a combination of a single point cutting tool and high speeds to machine hard ferrous alloys which exhibit hardness values over 45 HRC. In this paper, a surface defect machining (SDM) method for HT is proposed which harnesses the combined advantages of porosity machining and pulsed laser pre-treatment processing. From previous experimental work, this was shown to provide better controllability of the process and improved quality of the machined surface. While the experiments showed promising results, a comprehensive understanding of this new technique could only be achieved through a rigorous, in depth theoretical analysis. Therefore, an assessment of the SDM technique was carried out using both finite element method (FEM) and molecular dynamics (MD) simulations.
FEM modelling was used to compare the conventional HT of AISI 4340 steel (52 HRC) using an Al2O3 insert with the proposed SDM method. The simulations showed very good agreement with the previously published experimental results. Compared to conventional HT, SDM provided favourable machining outcomes, such as reduced shear plane angle, reduced average cutting forces, improved surface roughness, lower residual stresses on the machined surface, reduced tool–chip interface contact length and increased chip flow velocity. Furthermore, a scientific explanation of the improved surface finish was revealed using a state-of-the-art MD simulation model which suggested that during SDM, a combination of both the cutting action and rough polishing action help improve the machined surface finish.

Entanglement control in hybrid optomechanical systems

We demonstrate the control of entanglement in a hybrid optomechanical system comprising an optical cavity with a mechanical end-mirror and an intracavity Bose-Einstein condensate. Pulsed laser light (tuned within realistic experimental conditions) is shown to induce an almost sixfold increase of the atom-mirror entanglement and to be responsible for interesting dynamics between such mesoscopic systems. In order to assess the advantages offered by the proposed control technique, we compare the time-dependent dynamics of the system under constant pumping with the evolution due to the modulated laser light.

Structures photoniques à base de nanocristaux de silicium

Il y a des indications que les nanocristaux de silicium (nc-Si) présentent un gain optique qui est potentiellement assez grand pour permettre l'amplification optique dans la gamme de longueurs d'ondes où une photoluminescence (PL) intense est mesurée (600- 1000 nm). Afin de fabriquer des cavités optiques, nous avons implantés des morceaux de silice fondue avec des ions de Si pour former une couche de nc-Si d'une épaisseur d'environ 1 μm. Le Si a été implanté à quatre énergies comprises entre 1 MeV et 1,9 MeV de manière à obtenir une concentration atomique de Si en excès variant entre 25% et 30%. Les pièces ont été flanquées de miroirs diélectriques composés de filtres interférentiels multicouches. Sur une plage de longueurs d'ondes d'environ 200 nm de large, un filtre réfléchit près de 100%, alors que l'autre a une réflexion moyenne d'environ 90%. Nous avons mesuré et comparé les spectres de PL de trois échantillons: le premier sans miroir, le second avec des filtres réfléchissant autour de 765 nm (entre 700 nm et 830 nm), et la troisième avec des filtres agissant autour de 875 nm (entre 810 nm et 940 nm). Lorsque les échantillons sont excités avec un laser pulsé à 390 nm, des mesures de photoluminescence résolue dans le temps (PLT) révèlent des taux de décroissance plus rapides en présence de miroirs dans le domaine de longueurs d'onde où ceux-ci agissent comparé aux échantillons sans miroirs. Aussi, l'intensité PL en fonction de la fluence d'excitation montre une augmentation plus rapide de la présence de miroirs, même si celle-ci reste sous-linéaire. Nous concluons que de l'émission stimulée pourrait être présente dans la cavité optique, mais sans dominer les autres mécanismes d'émission et de pertes.

Synthesis and Characterisation of Zinc Gallate Based Phosphors for Thin Film Electroluminescent Devices

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Fabrication and Characterisation of Dye Doped Polymer Optical Fibres With Different Refractive Index Profiles for Photonic Applications

International School of Photonics, Cohin University of Science and Technology

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Optical spectroscopy and frequency upconversion properties of Tm3+ doped tungstate fluorophosphate glasses

Tungstate fluorophosphate glasses of good optical quality were synthesized by fusion of the components and casting under air atmosphere. The absorption spectra from near-infrared to visible were obtained and the Judd-Ofelt parameters determined from the absorption bands. Transition probabilities, excited state lifetimes and transition branching ratios, were, determined from the measurements. Pumping with a 354.7 nm beam from a pulsed laser. resulted in emission at 450 nm. due to transition D-1(2)-->F-3(4) in Tm3+ ions and a broadband emission centered at approximate to 550 nm attributed to the glass matrix. When pumping at 650 nm, two emission bands at 450 nm (D-1(2)-->F-3(4)) and at 790 nm (H-3(4)-->H-3(6)) were observed. Excitation spectra were also obtained in order to understand the origin of both emissions. Theoretical and experimental lifetimes were determined and,the results were explained in terms of multiphonon relaxation. (C) 2003 American Institute of Physics.

Nonresonant third-order nonlinearity of antimony glasses at telecom wavelengths

We report measurements of the nonresonant nonlinear refractive index n(2) in antimony glasses at telecom wavelengths. The measurements were performed using the Z-scan technique with a 130 fs pulsed laser operating at five wavelengths in the range of 1400-1600 nm. Values of n(2)approximate to 10(-15) cm(2)/W were measured and a negligible two-photon absorption coefficient (< 0.003 cm/GW) was estimated for all glasses compositions. The samples present a good figure of merit for ultrafast all-optical switching. (c) 2006 American Institute of Physics.

Energy transfer assisted frequency upconversion in Ho 3+ doped fluoroindate glass

Experimental results are reported which show a strong evidence of energy transfer between Ho 3+ ions in a fluoroindate glass excited by a pulsed laser operating at 640 nm. We identified the origin of the blue and green upconverted fluorescence observed as being due to a Ho 3+-Ho 3+ pair interaction process. The dynamics of the fluorescence revealed the pathways involved in the energy transfer assisted upconversion process. © 2002 American Institute of Physics.

Upconversion luminescence in Er3+ doped Ga10Ge 25S65 glass and glass-ceramic excited in the near-infrared

The infrared-to-visible frequency upconversion was investigated in Er 3+-doped Ga10Ge25S65 glass and in the transparent glass-ceramic obtained by heat-treatment of the glass above its glass-transition temperature. Continuous-wave and pulsed lasers operating at 980 nm and 1480 nm were used as excitation sources. The green (2H 11/2 → 4I15/2; 4S3/2 → 4I15/2) and red (4F9/2 → 4I15/2) photoluminescence (PL) signals due to the Er3+ ions were characterized. The PL decay times were influenced by energy transfer among Er3+ ions, by cross-relaxation processes and by energy transfer from the Er3+ ions to the host material. The PL from the Er3+ ions hosted in the crystalline phase was distinguished only when the glass-ceramic was excited by the 1480 nm pulsed laser. The excitation pathways responsible for the green and red PL bands are discussed to explain the differences between the spectra observed under continuous-wave and pulsed excitation. © 2013 American Institute of Physics.

Necrosis response to photodynamic therapy using light pulses in the femtosecond regime

One of the clinical limitations of the photodynamic therapy (PDT) is the reduced light penetration into biological tissues. Pulsed lasers may present advantages concerning photodynamic response when compared to continuous wave (CW) lasers operating under the same average power conditions. The aim of this study was to investigate PDT-induced response when using femtosecond laser (FSL) and a first-generation photosensitizer (Photogem) to evaluate the induced depth of necrosis. The in vitro photodegradation of the sensitizer was monitored during illumination either with CWor an FSL as an indirect measurement of the PDT response. Healthy liver of Wistar rats was used to evaluate the tissue response. The photosensitizer was endovenously injected and 30 min after, an energy dose of 150 Jcm-2 was delivered to the liver surface. We observed that the photodegradation rate evaluated via fluorescence spectroscopy was higher for the FSL illumination. The FSL-PDT produced a necrosis nearly twice as deep when compared to the CW-PDT. An increase of the tissue temperature during the application was measured and was not higher than 2.5 °C for the CW laser and not higher than 4.5 °C for the pulsed laser. FSL should be considered as an alternative in PDT applications for improving the results in the treatment of bulky tumors where higher light penetration is required.

Design and fabrication of MOMS-based ultrasonic probes for minimally invasive endoscopic applications

A Micro-opto-mechanical systems (MOMS) based technology for the fabrication of ultrasonic probes on optical fiber is presented. Thanks to the high miniaturization level reached, the realization of an ultrasonic system constituted by ultrasonic generating and detecting elements, suitable for minimally invasive applications or Non Destructive Evaluation (NDE) of materials at high resolution, is demonstrated. The ultrasonic generation is realized by irradiating a highly absorbing carbon film patterned on silicon micromachined structures with a nanosecond pulsed laser source, generating a mechanical shock wave due to the thermal expansion of the film induced by optical energy conversion into heat. The short duration of the pulsed laser, together with an appropriate emitter design, assure high frequency and wide band ultrasonic generation. The acoustic detection is also realized on a MOMS device using an interferometric receiver, fabricated with a Fabry-Perot optical cavity realized by means of a patterned SU-8 and two Al metallization levels. In order to detect the ultrasonic waves, the cavity is interrogated by a laser beam measuring the reflected power with a photodiode. Various issues related to the design and fabrication of these acoustic probes are investigated in this thesis. First, theoretical models are developed to characterize the opto-acoustic behavior of the devices and estimate their expected acoustic performances. Tests structures are realized to derive the relevant physical parameters of the materials constituting the MOMS devices and determine the conditions theoretically assuring the best acoustic emission and detection performances. Moreover, by exploiting the models and the theoretical results, prototypes of acoustic probes are designed and their fabrication process developed by means of an extended experimental activity.

Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.

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.