Is the meander growth in the Brazil Current system off Southeast Brazil due to baroclinic instability?

Temporally-growing frontal meandering and occasional eddy-shedding is observed in the Brazil Current (BC) as it flows adjacent to the Brazilian Coast. No study of the dynamics of this phenomenon has been conducted to date in the region between 22 degrees S and 25 degrees S. Within this latitude range, the flow over the intermediate continental slope is marked by a current inversion at a depth that is associated with the Intermediate Western Boundary Current (IWBC). A time series analysis of 10-current-meter mooring data was used to describe a mean vertical profile for the BC-IWBC jet and a typical meander vertical structure. The latter was obtained by an empirical orthogonal function (EOF) analysis that showed a single mode explaining 82% of the total variance. This mode structure decayed sharply with depth, revealing that the meandering is much more vigorous within the BC domain than it is in the IWBC region. As the spectral analysis of the mode amplitude time series revealed no significant periods, we searched for dominant wavelengths. This search was done via a spatial EOF analysis on 51 thermal front patterns derived from digitized AVHRR images. Four modes were statistically significant at the 95% confidence level. Modes 3 and 4, which together explained 18% of the total variance, are associated with 266 and 338-km vorticity waves, respectively. With this new information derived from the data, the [Johns, W.E., 1988. One-dimensional baroclinically unstable waves on the Gulf Stream potential vorticity gradient near Cape Hatteras. Dyn. Atmos. Oceans 11, 323-350] one-dimensional quasi-geostrophic model was applied to the interpolated mean BC-IWBC jet. The results indicated that the BC system is indeed baroclinically unstable and that the wavelengths depicted in the thermal front analysis are associated with the most unstable waves produced by the model. Growth rates were about 0.06 (0.05) days(-1) for the 266-km (338-km) wave. Moreover, phase speeds for these waves were low compared to the surface BC velocity and may account for remarks in the literature about growing standing or stationary meanders off southeast Brazil. The theoretical vertical structure modes associated with these waves resembled very closely to the one obtained for the current-meter mooring EOF analysis. We interpret this agreement as a confirmation that baroclinic instability is an important mechanism in meander growth in the BC system. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Spin coherent states in NMR quadrupolar system: experimental and theoretical applications

Working with nuclear magnetic resonance (NMR) in quadrupolar spin systems, in this paper we transfer the concept of atomic coherent state to the nuclear spin context, where it is referred to as pseudonuclear spin coherent state (pseudo-NSCS). Experimentally, we discuss the initialization of the pseudo- NSCSs and also their quantum control, implemented by polar and azimuthal rotations. Theoretically, we compute the geometric phases acquired by an initial pseudo-NSCS on undergoing three distinct cyclic evolutions: (i) the free evolution of the NMR quadrupolar system and, by analogy with the evolution of the NMR quadrupolar system, that of (ii) single-mode and (iii) two-mode Bose-Einstein Condensate like system. By means of these analogies, we derive, through spin angular momentum operators, results equivalent to those presented in the literature for orbital angular momentum operators. The pseudo-NSCS description is a starting point to introduce the spin squeezed state and quantum metrology into nuclear spin systems of liquid crystal or solid matter.

Erzeugung höchster 3 He-Kernspinpolarisation durch metastabiles optisches Pumpen

In dieser Arbeit wird zum Erreichen hoher Kernspinpolarisationen die Methode des metastabilen optischen Pumpens benutzt. Das Verfahren beruht auf dem "Ubertrag des Drehimpulses absorbierter Photonen auf das hierbei angeregte Valenzelektron, welches durch Hyperfeinkopplung den Drehimpuls weiter auf den $^3$He-Kern transferiert. Da der Polarisationsprozess nur bei Dr"ucken von ca. 1~mbar effizient funktioniert, f"ur die meisten Anwendungen aber polarisiertes $^3$He bei einem Druck von $geq 1$~bar ben"otigt wird, muss das Gas nach der Aufpolarisation komprimiert werden. In unserer Arbeitsgruppe steht eine Maschine ("`Polarisator"') zur Verf"ugung, die das Gas polarisiert und anschlie"send komprimiert. Ziel dieser Dissertation ist, einerseits die Leistungsf"ahigkeit des Polarisators bez"uglich Maximalpolarisation und Gasfluss zu verbessern und andererseits den metastabilen Pumpprozess selbst genauer zu untersuchen.\ noindent Durch die Verwendung neuer Laser auf Basis der Fasertechnologie sowie einer systematischen Optimierung der optischen Komponenten konnten in abgeschlossenen Pumpzellen Rekord-Polarisationsgrade von $91pm 2$% erzielt werden.\ noindent Mit der Implementierung neuartiger Optiken und Laser am Mainzer Polarisator konnte die Leistungscharakteristik entscheidend verbessert werden. So wurde die erreichbare Polarisation bei identischer Produktionsrate um 20 Prozentpunkte gesteigert. Zurzeit sind maximale Polarisationsgrade von mehr als 75% im optischen Pumpvolumen erreichbar. Eine am Mainzer Triga-Reaktor durchgef"uhrte Polarisationsbestimmung ergab einen Wert von $72.7pm 0.7$%. Dies veranschaulicht die geringen Polarisationsverluste infolge der Gaskompression, des Transports und einer Lagerung "uber mehrere Stunden.\ noindent Zur Dynamik der geschwindigkeitsver"andernden St"o"se sowie zur Bestimmung der mittleren Photonen-Absorptionsrate wurde ein Modell entwickelt, welches auch experimentell best"atigt wurde. Damit konnte erstmalig das gemessene Absorptionsverhalten einer spektral schmalbandigen Laserdiode korrekt beschrieben werden.\ noindent Zudem stimmen die an so genannten abgeschlossenen Pumpzellen gemessenen extrem hohen Polarisationswerte mit theoretischen Vorhersagen "uberein, sofern der Druck im optischen Pumpvolumen geringer als 1~mbar ist und das $^3$He nicht durch Fremdgase verunreinigt ist. Bei derartigen Pumpzellen ist die gemessene Abh"angigkeit der Polarisation von Laserleistung, Metastabilendichte und falscher Zirkularkomponente mit der Theorie kompatibel.\

Entwicklung und Charakterisierung eines Laserablationsmassenspektrometers zur Echtzeit-Analyse von atmosphärischen Aerosolpartikeln

Das Aerosolmassenspektrometer SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-Flight Mass Spectrometer) ist in der Lage, die Größe einzelner Aerosolpartikel in einem Größenbereich von 0,3 µm bis 3 µm zu bestimmen und gleichzeitig chemisch zu analysieren. Die Größenbestimmung erfolgt durch Streulichtmessung und Bestimmung der Flugzeit der Partikel zwischen zwei kontinuierlichen Laserstrahlen. Durch Kalibrationsmessungen kann auf den aerodynamischen Durchmesser der Partikel geschlossen werden. Kurzzeitig nach der Streulichtdetektion werden die Partikel durch einen hochenergetischen gepulsten UV-Laser verdampft und ionisiert. Die Flugzeit der Partikel zwischen den kontinuierlichen Laserstrahlen wird dazu benutzt, die Ankunftszeit der Partikel in der Ionenquelle zu berechnen und den UV-Laserpuls zu zünden. Die entstandenen Ionen werden in einem bipolaren Flugzeitmassen¬spektrometer nachgewiesen. Durch die Laserablation/Ionisation ist das SPLAT in der Lage, auch schwer verdampfbare Komponenten des atmosphärischen Aerosols - wie etwa Minerale oder Metalle - nachzuweisen. Das SPLAT wurde während dieser Arbeit vollständig neu entwickelt und aufgebaut. Dazu gehörten das Vakuum- und Einlasssystem, die Partikeldetektion, die Ionenquelle und das Massen-spektrometer. Beim Design des SPLAT wurde vor allem auf den späteren Feldeinsatz Wert gelegt, was besondere Anforderungen an Mechanik und Elektronik stellte. Die Charakterisierung der einzelnen Komponenten sowie des gesamten Instruments wurde unter Laborbedingungen durchgeführt. Dabei wurde u.a. Detektionseffizienzen des Instruments ermittelt, die abhängig von der Größe der Partikel sind. Bei sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser von 600 nm wurden ca. 2 % der Partikel die in das Instrument gelangten, detektiert und chemisch analysiert. Die Fähigkeit zum Feldeinsatz hat das SPLAT im Februar/März 2006 während einer internationalen Messkampagne auf dem Jungfraujoch in der Schweiz bewiesen. Auf dieser hochalpinen Forschungsstation in einer Höhe von ca. 3580 m fand das SPLAT mineralische und metallische Komponenten in den Aerosolpartikeln. Das SPLAT ist ein vielfältig einsetzbares Instrument und erlaubt vor allem in Kombination mit Aerosolmassenspektrometern, die mit thermischer Verdampfung und Elektronenstoßionisation arbeiten, einen Erkenntnisgewinn in der Analytik atmosphärischer Aerosolpartikel.

Aufbau und Charakterisierung eines flugzeuggetragenen Einzelpartikel-Massenspektrometers

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein flugzeuggetragenes Laserablations-Einzelpartikel-Massenspektrometer von Grund auf entworfen, gebaut, charakterisiert und auf verschiedenen Feldmesskampagnen eingesetzt. Das ALABAMA (Aircraft-based Laser ABlation Aerosol MAss Spectrometer) ist in der Lage die chemische Zusammensetzung und Größe von einzelnen Aerosolpartikeln im submikrometer-Bereich (135 – 900 nm) zu untersuchen.rnNach dem Fokussieren in einer aerodynamischen Linse wird dafür zunächst derrnaerodynamische Durchmesser der einzelnen Partikel mit Hilfe einer Flugzeitmessung zwischen zwei Dauerstrichlasern bestimmt. Anschließend werden die zuvor detektierten und klassifizierten Partikel durch einen gezielten Laserpuls einzeln verdampft und ionisiert. Die Ionen werden in einem bipolaren Flugzeit-Massenspektrometer entsprechend ihrem Masse zu- Ladungs Verhältnisses getrennt und detektiert. Die entstehenden Massenspektren bieten einen detaillierten Einblick in die chemische Struktur der einzelnen Partikel.rnDas gesamte Instrument wurde so konzipiert, dass es auf dem neuen Höhenforschungsflugzeug HALO und anderen mobilen Plattformen eingesetzt werden kann. Um dies zu ermöglichen wurden alle Komponenten in einem Rahmen mit weniger als 0.45 m³ Volumen untergebracht. Das gesamte Instrument inklusive Rahmen wiegt weniger als 150 kg und erfüllt die strengen sicherheitsvorschriften für den Betrieb an Bord von Forschungsflugzeugen. Damit ist ALABAMA das kleinste und leichteste Instrument seiner Art.rnNach dem Aufbau wurden die Eigenschaften und Grenzen aller Komponenten detailliert im Labor und auf Messkampagnen charakterisiert. Dafür wurden zunächst die Eigenschaften des Partikelstrahls, wie beispielsweise Strahlbreite und –divergenz, ausführlich untersucht. Die Ergebnisse waren wichtig, um die späteren Messungen der Detektions- und Ablationseffizienz zu validieren.rnBei den anschließenden Effizienzmessungen wurde gezeigt, dass abhängig von ihrer Größe und Beschaffenheit, bis zu 86 % der vorhandenen Aerosolpartikel erfolgreich detektiert und größenklassifiziert werden. Bis zu 99.5 % der detektierten Partikel konnten ionisiert und somit chemisch untersucht werden. Diese sehr hohen Effizienzen sind insbesondere für Messungen in großer Höhe entscheidend, da dort zum Teil nur sehr geringe Partikelkonzentrationen vorliegen.rnDas bipolare Massenspektrometer erzielt durchschnittliche Massenauflösungen von bis zu R=331. Während Labor- und Feldmessungen konnten dadurch Elemente wie Au, Rb, Co, Ni, Si, Ti und Pb eindeutig anhand ihres Isotopenmusters zugeordnet werden.rnErste Messungen an Bord eines ATR-42 Forschungsflugzeuges während der MEGAPOLI Kampagne in Paris ergaben einen umfassenden Datensatz von Aerosolpartikeln innerhalb der planetaren Grenzschicht. Das ALABAMA konnte unter harten physischen Bedingungen (Temperaturen > 40°C, Beschleunigungen +/- 2 g) verlässlich und präzise betrieben werden. Anhand von charakteristischen Signalen in den Massenspektren konnten die Partikel zuverlässig in 8 chemische Klassen unterteilt werden. Einzelne Klassen konnten dabei bestimmten Quellen zugeordnet werden. So ließen sich beispielsweise Partikel mit starkerrnNatrium- und Kaliumsignatur eindeutig auf die Verbrennung von Biomasse zurückführen.rnALABAMA ist damit ein wertvolles Instrument um Partikel in-situ zu charakterisieren und somit verschiedenste wissenschaftliche Fragestellungen, insbesondere im Bereich der Atmosphärenforschung, zu untersuchen.

Fracture Mechanics Investigation of Structures with Defects

Fracture mechanics plays an important role in the material science, structure design and industrial production due to the failure of materials and structures are paid high attention in human activities. This dissertation, concentrates on some of the fractural aspects of shaft and composite which have being increasingly used in modern structures, consists four chapters within two parts. Chapters 1 to 4 are included in part 1. In the first chapter, the basic knowledge about the stress and displacement fields in the vicinity of a crack tip is introduced. A review involves the general methods of calculating stress intensity factors are presented. In Chapter 2, two simple engineering methods for a fast and close approximation of stress intensity factors of cracked or notched beams under tension, bending moment, shear force, as well as torque are presented. New formulae for calculating the stress intensity factors are proposed. One of the methods named Section Method is improved and applied to the three dimensional analysis of cracked circular section for calculating stress intensity factors. The comparisons between the present results and the solutions calculated by ABAQUS for single mode and mixed mode are studied. In chapter 3, fracture criteria for a crack subjected to mixed mode loading of two-dimension and three-dimension are reviewed. The crack extension angle for single mode and mixed mode, and the critical loading domain obtained by SEDF and MTS are compared. The effects of the crack depth and the applied force ratio on the crack propagation angle and the critical loading are investigated. Three different methods calculating the crack initiation angle for three-dimension analysis of various crack depth and crack position are compared. It should be noted that the stress intensity factors used in the criteria are calculated in section 2.1.

Silicon Photonics Integrated Circuits for Flexible Optical Systems

This dissertation deals with the design and the characterization of novel reconfigurable silicon-on-insulator (SOI) devices to filter and route optical signals on-chip. Design is carried out through circuit simulations based on basic circuit elements (Building Blocks, BBs) in order to prove the feasibility of an approach allowing to move the design of Photonic Integrated Circuits (PICs) toward the system level. CMOS compatibility and large integration scale make SOI one of the most promising material to realize PICs. The concepts of generic foundry and BB based circuit simulations for the design are emerging as a solution to reduce the costs and increase the circuit complexity. To validate the BB based approach, the development of some of the most important BBs is performed first. A novel tunable coupler is also presented and it is demonstrated to be a valuable alternative to the known solutions. Two novel multi-element PICs are then analysed: a narrow linewidth single mode resonator and a passband filter with widely tunable bandwidth. Extensive circuit simulations are carried out to determine their performance, taking into account fabrication tolerances. The first PIC is based on two Grating Assisted Couplers in a ring resonator (RR) configuration. It is shown that a trade-off between performance, resonance bandwidth and device footprint has to be performed. The device could be employed to realize reconfigurable add-drop de/multiplexers. Sensitivity with respect to fabrication tolerances and spurious effects is however observed. The second PIC is based on an unbalanced Mach-Zehnder interferometer loaded with two RRs. Overall good performance and robustness to fabrication tolerances and nonlinear effects have confirmed its applicability for the realization of flexible optical systems. Simulated and measured devices behaviour is shown to be in agreement thus demonstrating the viability of a BB based approach to the design of complex PICs.

Chemische Zusammensetzung der Aerosole : Design und Datenauswertung eines Einzelpartikel-Laserablationsmassenspektrometers

Atmosphärische Aerosolpartikel wirken in vielerlei Hinsicht auf die Menschen und die Umwelt ein. Eine genaue Charakterisierung der Partikel hilft deren Wirken zu verstehen und dessen Folgen einzuschätzen. Partikel können hinsichtlich ihrer Größe, ihrer Form und ihrer chemischen Zusammensetzung charakterisiert werden. Mit der Laserablationsmassenspektrometrie ist es möglich die Größe und die chemische Zusammensetzung einzelner Aerosolpartikel zu bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-flight mass spectrometer) zur besseren Analyse insbesondere von atmosphärischen Aerosolpartikeln weiterentwickelt. Der Aerosoleinlass wurde dahingehend optimiert, einen möglichst weiten Partikelgrößenbereich (80 nm - 3 µm) in das SPLAT zu transferieren und zu einem feinen Strahl zu bündeln. Eine neue Beschreibung für die Beziehung der Partikelgröße zu ihrer Geschwindigkeit im Vakuum wurde gefunden. Die Justage des Einlasses wurde mithilfe von Schrittmotoren automatisiert. Die optische Detektion der Partikel wurde so verbessert, dass Partikel mit einer Größe < 100 nm erfasst werden können. Aufbauend auf der optischen Detektion und der automatischen Verkippung des Einlasses wurde eine neue Methode zur Charakterisierung des Partikelstrahls entwickelt. Die Steuerelektronik des SPLAT wurde verbessert, so dass die maximale Analysefrequenz nur durch den Ablationslaser begrenzt wird, der höchsten mit etwa 10 Hz ablatieren kann. Durch eine Optimierung des Vakuumsystems wurde der Ionenverlust im Massenspektrometer um den Faktor 4 verringert.rnrnNeben den hardwareseitigen Weiterentwicklungen des SPLAT bestand ein Großteil dieser Arbeit in der Konzipierung und Implementierung einer Softwarelösung zur Analyse der mit dem SPLAT gewonnenen Rohdaten. CRISP (Concise Retrieval of Information from Single Particles) ist ein auf IGOR PRO (Wavemetrics, USA) aufbauendes Softwarepaket, das die effiziente Auswertung der Einzelpartikel Rohdaten erlaubt. CRISP enthält einen neu entwickelten Algorithmus zur automatischen Massenkalibration jedes einzelnen Massenspektrums, inklusive der Unterdrückung von Rauschen und von Problemen mit Signalen die ein intensives Tailing aufweisen. CRISP stellt Methoden zur automatischen Klassifizierung der Partikel zur Verfügung. Implementiert sind k-means, fuzzy-c-means und eine Form der hierarchischen Einteilung auf Basis eines minimal aufspannenden Baumes. CRISP bietet die Möglichkeit die Daten vorzubehandeln, damit die automatische Einteilung der Partikel schneller abläuft und die Ergebnisse eine höhere Qualität aufweisen. Daneben kann CRISP auf einfache Art und Weise Partikel anhand vorgebener Kriterien sortieren. Die CRISP zugrundeliegende Daten- und Infrastruktur wurde in Hinblick auf Wartung und Erweiterbarkeit erstellt. rnrnIm Rahmen der Arbeit wurde das SPLAT in mehreren Kampagnen erfolgreich eingesetzt und die Fähigkeiten von CRISP konnten anhand der gewonnen Datensätze gezeigt werden.rnrnDas SPLAT ist nun in der Lage effizient im Feldeinsatz zur Charakterisierung des atmosphärischen Aerosols betrieben zu werden, während CRISP eine schnelle und gezielte Auswertung der Daten ermöglicht.

Untersuchungen von Aerosolpartikeln und Wolkenresidualpartikeln mittels Einzelpartikel-Massenspektrometrie und optischen Methoden

Atmosphärische Partikel beeinflussen das Klima durch Prozesse wie Streuung, Reflexion und Absorption. Zusätzlich fungiert ein Teil der Aerosolpartikel als Wolkenkondensationskeime (CCN), die sich auf die optischen Eigenschaften sowie die Rückstreukraft der Wolken und folglich den Strahlungshaushalt auswirken. Ob ein Aerosolpartikel Eigenschaften eines Wolkenkondensationskeims aufweist, ist vor allem von der Partikelgröße sowie der chemischen Zusammensetzung abhängig. Daher wurde die Methode der Einzelpartikel-Laserablations-Massenspektrometrie angewandt, die eine größenaufgelöste chemische Analyse von Einzelpartikeln erlaubt und zum Verständnis der ablaufenden multiphasenchemischen Prozesse innerhalb der Wolke beitragen soll.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde zur Charakterisierung von atmosphärischem Aerosol sowie von Wolkenresidualpartikel das Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA (Aircraft-based Laser Ablation Aerosol Mass Spectrometer) verwendet. Zusätzlich wurde zur Analyse der Partikelgröße sowie der Anzahlkonzentration ein optischer Partikelzähler betrieben. rnZur Bestimmung einer geeigneten Auswertemethode, die die Einzelpartikelmassenspektren automatisch in Gruppen ähnlich aussehender Spektren sortieren soll, wurden die beiden Algorithmen k-means und fuzzy c-means auf ihrer Richtigkeit überprüft. Es stellte sich heraus, dass beide Algorithmen keine fehlerfreien Ergebnisse lieferten, was u.a. von den Startbedingungen abhängig ist. Der fuzzy c-means lieferte jedoch zuverlässigere Ergebnisse. Darüber hinaus wurden die Massenspektren anhand auftretender charakteristischer chemischer Merkmale (Nitrat, Sulfat, Metalle) analysiert.rnIm Herbst 2010 fand die Feldkampagne HCCT (Hill Cap Cloud Thuringia) im Thüringer Wald statt, bei der die Veränderung von Aerosolpartikeln beim Passieren einer orographischen Wolke sowie ablaufende Prozesse innerhalb der Wolke untersucht wurden. Ein Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Hintergrundaerosol und Wolkenresidualpartikeln zeigte, dass die relativen Anteile von Massenspektren der Partikeltypen Ruß und Amine für Wolkenresidualpartikel erhöht waren. Dies lässt sich durch eine gute CCN-Aktivität der intern gemischten Rußpartikel mit Nitrat und Sulfat bzw. auf einen begünstigten Übergang der Aminverbindungen aus der Gas- in die Partikelphase bei hohen relativen Luftfeuchten und tiefen Temperaturen erklären. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass bereits mehr als 99% der Partikel des Hintergrundaerosols intern mit Nitrat und/oder Sulfat gemischt waren. Eine detaillierte Analyse des Mischungszustands der Aerosolpartikel zeigte, dass sich sowohl der Nitratgehalt als auch der Sulfatgehalt der Partikel beim Passieren der Wolke erhöhte. rn

The S-1/S-2 exciton interaction in 2-pyridone center dot 6-methyl-2-pyridone: Davydov splitting, vibronic coupling, and vibronic quenching

The excitonic splitting between the S-1 and S-2 electronic states of the doubly hydrogen-bonded dimer 2-pyridone center dot 6-methyl-2-pyridone (2PY center dot 6M2PY) is studied in a supersonic jet, applying two-color resonant two-photon ionization (2C-R2PI), UV-UV depletion, and dispersed fluorescence spectroscopies. In contrast to the C-2h symmetric (2-pyridone) 2 homodimer, in which the S-1 <- S-0 transition is symmetry-forbidden but the S-2 <- S-0 transition is allowed, the symmetry-breaking by the additional methyl group in 2PY center dot 6M2PY leads to the appearance of both the S-1 and S-2 origins, which are separated by Delta(exp) = 154 cm(-1). When combined with the separation of the S-1 <- S-0 excitations of 6M2PY and 2PY, which is delta = 102 cm(-1), one obtains an S-1/S-2 exciton coupling matrix element of V-AB, el = 57 cm(-1) in a Frenkel-Davydov exciton model. The vibronic couplings in the S-1/S-2 <- S-0 spectrum of 2PY center dot 6M2PY are treated by the Fulton-Gouterman single-mode model. We consider independent couplings to the intramolecular 6a' vibration and to the intermolecular sigma' stretch, and obtain a semi-quantitative fit to the observed spectrum. The dimensionless excitonic couplings are C(6a') = 0.15 and C(sigma') = 0.05, which places this dimer in the weak-coupling limit. However, the S-1/S-2 state exciton splittings Delta(calc) calculated by the configuration interaction singles method (CIS), time-dependent Hartree-Fock (TD-HF), and approximate second-order coupled-cluster method (CC2) are between 1100 and 1450 cm(-1), or seven to nine times larger than observed. These huge errors result from the neglect of the coupling to the optically active intra-and intermolecular vibrations of the dimer, which lead to vibronic quenching of the purely electronic excitonic splitting. For 2PY center dot 6M2PY the electronic splitting is quenched by a factor of similar to 30 (i.e., the vibronic quenching factor is Gamma(exp) = 0.035), which brings the calculated splittings into close agreement with the experimentally observed value. The 2C-R2PI and fluorescence spectra of the tautomeric species 2-hydroxypyridine center dot 6-methyl-2-pyridone (2HP center dot 6M2PY) are also observed and assigned. (C) 2011 American Institute of Physics.

RF-sputter fabrication of magnetic garnet thin films and simulation modeling for 1-D magnetic photonic crystal waveguide devices

One dimensional magnetic photonic crystals (1D-MPC) are promising structures for integrated optical isolator applications. Rare earth substituted garnet thin films with proper Faraday rotation are required to fabricate planar 1D-MPCs. In this thesis, flat-top response 1D-MPC was proposed and spectral responses and Faraday rotation were modeled. Bismuth substituted iron garnet films were fabricated by RF magnetron sputtering and structures, compositions, birefringence and magnetooptical properties were studied. Double layer structures for single mode propagation were also fabricated by sputtering for the first time. Multilayer stacks with multiple defects (phase shift) composed of Ce-YIG and GGG quarter-wave plates were simulated by the transfer matrix method. The transmission and Faraday rotation characteristics were theoretically studied. It is found that flat-top response, with 100% transmission and near 45o rotation is achievable by adjusting the inter-defect spacing, for film structures as thin as 30 to 35 μm. This is better than 3-fold reduction in length compared to the best Ce-YIG films for comparable rotations, thus allows a considerable reduction in size in manufactured optical isolators. Transmission bands as wide as 7nm were predicted, which is considerable improvement over 2 defects structure. Effect of repetition number and ratio factor on transmission and Faraday rotation ripple factors for the case of 3 and 4 defects structure has been discussed. Diffraction across the structure corresponds to a longer optical path length. Thus the use of guided optics is required to minimize the insertion losses in integrated devices. This part is discussed in chapter 2 in this thesis. Bismuth substituted iron garnet thin films were prepared by RF magnetron sputtering. We investigated or measured the deposition parameters optimization, crystallinity, surface morphologies, composition, magnetic and magnetooptical properties. A very high crystalline quality garnet film with smooth surface has been heteroepitaxially grown on (111) GGG substrate for films less than 1μm. Dual layer structures with two distinct XRD peaks (within a single sputtered film) start to develop when films exceed this thickness. The development of dual layer structure was explained by compositional gradient across film thickness, rather than strain gradient proposed by other authors. Lower DC self bias or higher substrate temperature is found to help to delay the appearance of the 2nd layer. The deposited films show in-plane magnetization, which is advantageous for waveguide devices application. Propagation losses of fabricated waveguides can be decreased by annealing in an oxygen atmosphere from 25dB/cm to 10dB/cm. The Faraday rotation at λ=1.55μm were also measured for the waveguides. FR is small (10° for a 3mm long waveguide), due to the presence of linear birefringence. This part is covered in chapter 4. We also investigated the elimination of linear birefringence by thickness tuning method for our sputtered films. We examined the compressively and tensilely strained films and analyze the photoelastic response of the sputter deposited garnet films. It has been found that the net birefringence can be eliminated under planar compressive strain conditions by sputtering. Bi-layer GGG on garnet thin film yields a reduced birefringence. Temperature control during the sputter deposition of GGG cover layer is critical and strongly influences the magnetization and birefringence level in the waveguide. High temperature deposition lowers the magnetization and increases the linear birefringence in the garnet films. Double layer single mode structures fabricated by sputtering were also studied. The double layer, which shows an in-plane magnetization, has an increased RMS roughness upon upper layer deposition. The single mode characteristic was confirmed by prism coupler measurement. This part is discussed in chapter 5.

High-peak-power pulse generation from a monolithic master oscillator power amplifier at 1.5 μm

We present an experimental study on the generation of high-peak-power short optical pulses from a fully integrated master-oscillator power-amplifier emitting at 1.5 μm. High-peak-power (2.7 W) optical pulses with short duration (100 ps) have been generated by gain switching the master oscillator under optimized driving conditions. The static and dynamic characteristics of the device have been studied as a function of the driving conditions. The ripples appearing in the power-current characteristics under cw conditions have been attributed to mode hopping between the master oscillator resonant mode and the Fabry-Perot modes of the entire device cavity. Although compound cavity effects have been evidenced to affect the static and dynamic performance of the device, we have demonstrated that trains of single-mode short optical pulses at gigahertz frequencies can be conveniently generated in these devices.

Modulation instability-induced fading in phase-sensitive optical time-domain reflectometry

Phase-sensitive optical time-domain reflectometry (?OTDR) is a simple and effective tool allowing the distributed monitoring of vibrations along single-mode fibers. We show in this Letter that modulation instability (MI) can induce a position-dependent signal fading in long-range ?OTDR over conventional optical fibers. This fading leads to a complete masking of the interference signal recorded at certain positions and therefore to a sensitivity loss at these positions. We illustrate this effect both theoretically and experimentally. While this effect is detrimental in the context of distributed vibration analysis using ?OTDR, we also believe that the technique provides a clear and insightful way to evidence the Fermi?Pasta?Ulam recurrence associated with the MI process.

Measurement of transmitted power in untapered multifibre unions oscillatory spectral behaviour

Shows a new structure, the untapered multifibre union, with similar oscillation behaviour to that of tapered single-mode fibres. As a consequences conical regions are not relevant to the final results. This oscillatory behaviour opens the way to low-cost all-fibre devices such as optical filters

High-frequency signal generation using 1550 nm VCSEL subject to two-frequency optical injection

We experimentally investigate high-frequency microwave signal generation using a 1550 nm single-mode VCSEL subject to two-frequency optical injection. We first consider a situation in which the injected signals come from two similar VCSELs. The polarization of the injected light is parallel to that of the injected VCSEL. We obtain that the VCSEL can be locked to one of the injected signals, but the observed microwave signal is originated by beating at the photodetector. In a second situation we consider injected signals that come from two external cavity tunable lasers with a significant increase of the injected power with respect to the VCSEL-by-VCSEL injection case. The polarization of the injected light is orthogonal to that of the free-running slave VCSEL. We show that in this case it is possible to generate a microwave signal inside the VCSEL cavity. © (2013) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.