Interaction of pulses in the nonlinear Schrödinger model

A study was conducted on the interaction of two pulses in the nonlinear Schrodinger (NLS) model. The presence of different scenarios of the behavior depending on the initial parameters of the pulses, such as the pulse areas, the relative phase shift, the spatial and frequency separations were shown. It was observed that a pure real initial condition of the NLS equation can result in additional moving solitons.

The use of planarians as in vivo animal model to study laser biomodulation effects

A variety of effects is attributed to the photo stimulation of tissues, such as improved healing of ulcers, analgesic and anti-inflammatory effects, stimulation of the proliferation of cells of different origins and stimulation of bone repair. Some investigations that make qualitative evaluations, like wound healing and evaluation of pain and edema, can be conducted in human subjects. However, deeper investigations on the mechanisms of action of the light stimulus and other quantitative works that requires biopsies or destructive analysis has to be carried out in animal models or in cell cultures. In this work, we propose the use of planarians as a model to study laser-tissue interaction. Contrasting with cell cultures and unicellular organisms, planarians are among the simplest organism having tissue layers, central nerve system, digestive and excretory system that might have been platforms for the evolution of the complex and highly organized tissues and organs found in higher organisms. For the present study, 685 nm laser radiation was employed. Planarians were cut transversally, in a plane posterior to the auricles. The body fragments were left to regenerate and the proliferation dynamics of stem cells was studied by using histological analysis. Maximum cell count was obtained for the laser treated group at the 4th experimental day. At that experimental time, we also had the largest difference between the irradiated and the non-irradiated control group. We concluded that the studied flatworm could be an interesting animal model for in vivo studies of laser-tissue interactions.

Effects of rotation in the laser-pulse photoassociation in a thermal gas of atoms

Photoassociation is a possible route for the formation of chemical bonds. In this process, the binding of colliding atoms can be induced by means of a laser field. Photoassociation has been studied in the ultracold regime and also with temperatures well above millikelvins in the thermal energy domain, which is a situation commonly encountered in the laboratory. A photoassociation mechanism can be envisioned based on the use of infrared pulses to drive a transition from free colliding atoms on the electronic ground state to form a molecule directly on that state. This work takes a step in this direction, investigating the laser-pulse-driven formation of heteronuclear diatomic molecules in a thermal gas of atoms including rotational effects. Based on the assumption of full system controllability, the maximum possible photoassociation yield is deduced. The photoassociation probability is calculated as a function of the laser parameters for different temperatures. Additionally, the photoassociation yield induced by subpicosecond pulses of a priori fixed shape is compared to the maximum possible yield.

Estudo clássico e quântico da dissociação molecular induzida por laser

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Evaluation of hollow fiberoptic tips for the conduction of Er : YAG laser

Objective: The use of Er:YAG laser operating in the 3 μm range with adjustable power and pulses has become popular for dental and medical practice due to its high photoablative capacity, surgical precision and antimicrobial action. Background data: The existing fiberoptic tips irradiate lasers parallel to the long axes of the tooth limiting its efficiency in the root canal. Methods: We evaluated hollow fiberoptic tips obtained from silicate glass as a means of Er:YAG laser conduction in dental procedures. The fiber tips were molded from capillary tubes with different profiles so that their ends would have cylindric, conical or spherical shapes. The performance of the three fibers as a means of propagation of Er:YAG (λ = 2.94 μm) laser radiation was compared to that of a solid sapphire fiber at 10 Hz and 200 mJ and of 20 Hz and 500 mJ. The profiles of frontal and lateral burning were visualized on thermal paper. Results: Analysis of these profiles demonstrated that the sapphire tip and the hollow fiber of cylindric section did not differ significantly in the profiles of frontal burning, and no lateral burning was detected. The fibers of the conical and spherical sections, although presenting attenuation in the frontal output power, showed a larger burning area in the frontal profile, in addition to producing lateral burning. Conclusions: The results indicate that commercial hollow fiberoptics have advantages such as easy manufacture of the different tip shapes, great adaptability, low cost, and a low loss of transmission. © Mary Ann Liebert, Inc.

Effects of laser focusing and fluence on the analysis of pellets of plant materials by laser-induced breakdown spectroscopy

The effects of laser focusing and fluence on LIBS analysis of pellets of plant leaves was evaluated. A Q-switched Nd:YAG laser (5ns, 10Hz, 1064nm) was used and the emission signals were collected by lenses into an optical fiber coupled to a spectrometer with Echelle optics and ICCD. Data were acquired from the accumulation of 20 laser pulses at 2.0 mu s delay and 5.0 mu s integration time gate. The emission signal intensities increased with both laser fluence and spot size. Higher sensitivities for Ca, K, Mg, P, Al, B, Cu, Fe, Mn, and Zn determinations were observed for fluences in the range from 25 to 60Jcm(-2). Coefficients of variation of site-to-site measurements were generally lower than 10% (n=30 sites, 20 laser pulses/site) for a fluence of 50Jcm(-2) and 750 mu m spot size. For most elements, there is an indication that accuracy is improved with higher fluences. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of nanoparticle size on the nonlinear optical properties of magnetite ferrofluids

The nonlinear index of refraction (n(2)) and the two-photon absorption coefficient (beta) of water-based ferrofluids made of magnetite nanocrystals of different sizes and with different coatings have been measured through the Z-scan technique, with ultrashort (femtoseconds) laser pulses. Their third-order susceptibility is calculated from the values of n(2) and beta. The influence of different particles' coatings and sizes on these nonlinear optical properties are investigated. The values of n(2) and beta depend more significantly on the nanoparticles' size than on the particular coating. We observe a decrease of beta as the nanoparticles' diameters decrease, although the optical gap is found to be the same for all samples. The results are interpreted considering modifications in the electronic orbital shape due to the particles' nanosize effect.

Untersuchung von NEA-Photokathoden mittels zeitlich hochauflösender Vermessung von Intensitäts- und Spinpolarisationsverteilungen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) mittels zeitlich hochauflösender Vermessung der emittierten Ladungs- und Spinpolarisationsverteilungen nach Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls. Untersucht wurden uniaxial deformierte GaAsP-Photokathoden mit dünnen emittierenden Schichten (≤150nm), sowie undeformierte GaAs-Photokathoden mit unterschiedlichen Schichtdicken. Die Untersuchungen wurden an einer 100keV-Elektronenquelle durchgeführt, wie sie am Mainzer Mikrotron (MAMI) zur Erzeugung eines Spinpolarisierten Elektronenstrahls verwendet wird. Mit der Apparatur konnte eine Zeitauflösung von 2,5ps erreicht werden. Es zeigte sich, dass die tatsächliche Antwortzeit der Photokathoden die erreichte Zeitauflösung noch unterschreitet. Eine Depolarisation in den kurzen, wegen der Zeitauflösung auf 2,5ps begrenzten, Elektronenpulsen konnte aber nachgewiesen werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Polarisationsverlust der emittierten Elektronen bei dünnen Schichten im Wesentlichen auf eine energiekorrelierte Depolarisation beim Durchqueren der Bandbiegungszone zurückzuführen ist. Als weiteres Resultat wird, für die GaAsP-Photokathoden mit einer Schichtdicke von 150nm, eine Obergrenze für die mittlere Emissionszeit von ≤1,25ps angegeben. Daraus ergibt sich nach dem hier verwendeten Diffusionsmodell eine Untergrenze für die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Bandbiegungszone von S≥1,2·10^7 cm/s.

Theoretical and numerical study of the laser-plasma ion acceleration

The laser driven ion acceleration is a burgeoning field of resarch and is attracting a growing number of scientists since the first results reported in 2000 obtained irradiating thin solid foils by high power laser pulses. The growing interest is driven by the peculiar characteristics of the produced bunches, the compactness of the whole accelerating system and the very short accelerating length of this all-optical accelerators. A fervent theoretical and experimental work has been done since then. An important part of the theoretical study is done by means of numerical simulations and the most widely used technique exploits PIC codes (“Particle In Cell'”). In this thesis the PIC code AlaDyn, developed by our research group considering innovative algorithms, is described. My work has been devoted to the developement of the code and the investigation of the laser driven ion acceleration for different target configurations. Two target configurations for the proton acceleration are presented together with the results of the 2D and 3D numerical investigation. One target configuration consists of a solid foil with a low density layer attached on the irradiated side. The nearly critical plasma of the foam layer allows a very high energy absorption by the target and an increase of the proton energy up to a factor 3, when compared to the ``pure'' TNSA configuration. The differences of the regime with respect to the standard TNSA are described The case of nearly critical density targets has been investigated with 3D simulations. In this case the laser travels throughout the plasma and exits on the rear side. During the propagation, the laser drills a channel and induce a magnetic vortex that expanding on the rear side of the targer is source of a very intense electric field. The protons of the plasma are strongly accelerated up to energies of 100 MeV using a 200PW laser.

Size-selective investigations of spectral and emission properties of small particles and nanotubes

In dieser Arbeit wurde die Elektronenemission von Nanopartikeln auf Oberflächen mittels spektroskopischen Photoelektronenmikroskopie untersucht. Speziell wurden metallische Nanocluster untersucht, als selbstorganisierte Ensembles auf Silizium oder Glassubstraten, sowie ferner ein Metall-Chalcogenid (MoS2) Nanoröhren-Prototyp auf Silizium. Der Hauptteil der Untersuchungen war auf die Wechselwirkung von fs-Laserstrahlung mit den Nanopartikeln konzentriert. Die Energie der Lichtquanten war kleiner als die Austrittsarbeit der untersuchten Proben, so dass Ein-Photonen-Photoemission ausgeschlossen werden konnte. Unsere Untersuchungen zeigten, dass ausgehend von einem kontinuierlichen Metallfilm bis hin zu Clusterfilmen ein anderer Emissionsmechanismus konkurrierend zur Multiphotonen-Photoemission auftritt und für kleine Cluster zu dominieren beginnt. Die Natur dieses neuen Mechanismus` wurde durch verschiedenartige Experimente untersucht. Der Übergang von einem kontinuierlichen zu einem Nanopartikelfilm ist begleitet von einer Zunahme des Emissionsstroms von mehr als eine Größenordnung. Die Photoemissions-Intensität wächst mit abnehmender zeitlicher Breite des Laserpulses, aber diese Abhängigkeit wird weniger steil mit sinkender Partikelgröße. Die experimentellen Resultate wurden durch verschiedene Elektronenemissions-Mechanismen erklärt, z.B. Multiphotonen-Photoemission (nPPE), thermionische Emission und thermisch unterstützte nPPE sowie optische Feldemission. Der erste Mechanismus überwiegt für kontinuierliche Filme und Partikel mit Größen oberhalb von mehreren zehn Nanometern, der zweite und dritte für Filme von Nanopartikeln von einer Größe von wenigen Nanometern. Die mikrospektroskopischen Messungen bestätigten den 2PPE-Emissionsmechanismus von dünnen Silberfilmen bei „blauer“ Laseranregung (hν=375-425nm). Das Einsetzen des Ferminiveaus ist relativ scharf und verschiebt sich um 2hν, wenn die Quantenenergie erhöht wird, wogegen es bei „roter“ Laseranregung (hν=750-850nm) deutlich verbreitert ist. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Laserleistung die Ausbeute von niederenergetischen Elektronen schwächer zunimmt als die Ausbeute von höherenergetischen Elektronen nahe der Fermikante in einem Spektrum. Das ist ein klarer Hinweis auf eine Koexistenz verschiedener Emissionsmechanismen in einem Spektrum. Um die Größenabhängigkeit des Emissionsverhaltens theoretisch zu verstehen, wurde ein statistischer Zugang zur Lichtabsorption kleiner Metallpartikel abgeleitet und diskutiert. Die Elektronenemissionseigenschaften bei Laseranregung wurden in zusätzlichen Untersuchungen mit einer anderen Anregungsart verglichen, der Passage eines Tunnelstroms durch einen Metall-Clusterfilm nahe der Perkolationsschwelle. Die elektrischen und Emissionseigenschaften von stromtragenden Silberclusterfilmen, welche in einer schmalen Lücke (5-25 µm Breite) zwischen Silberkontakten auf einem Isolator hergestellt wurden, wurden zum ersten Mal mit einem Emissions-Elektronenmikroskop (EEM) untersucht. Die Elektronenemission beginnt im nicht-Ohmschen Bereich der Leitungsstrom-Spannungskurve des Clusterfilms. Wir untersuchten das Verhalten eines einzigen Emissionszentrums im EEM. Es zeigte sich, dass die Emissionszentren in einem stromleitenden Silberclusterfilm Punktquellen für Elektronen sind, welche hohe Emissions-Stromdichten (mehr als 100 A/cm2) tragen können. Die Breite der Energieverteilung der Elektronen von einem einzelnen Emissionszentrum wurde auf etwa 0.5-0.6 eV abgeschätzt. Als Emissionsmechanismus wird die thermionische Emission von dem „steady-state“ heißen Elektronengas in stromdurchflossenen metallischen Partikeln vorgeschlagen. Größenselektierte, einzelne auf Si-Substraten deponierte MoS2-Nanoröhren wurden mit einer Flugzeit-basierten Zweiphotonen-Photoemissions-Spektromikroskopie untersucht. Die Nanoröhren-Spektren wiesen bei fs-Laser Anregung eine erstaunlich hohe Emissionsintensität auf, deutlich höher als die SiOx Substratoberfläche. Dagegen waren die Röhren unsichtbar bei VUV-Anregung bei hν=21.2 eV. Eine ab-initio-Rechnung für einen MoS2-Slab erklärt die hohe Intensität durch eine hohe Dichte freier intermediärer Zustände beim Zweiphotonen-Übergang bei hν=3.1 eV.

Entwicklung kohärenter Lichtquellen im XUV-Regime

Plasmabasierte Röntgenlaser sind aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge und schma-rnlen spektralen Bandbreite attraktive Diagnose-Instrumente in einer Vielzahl potentieller Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Spektroskopie, Mikroskopie und EUV-Lithografie. Dennoch sind Röntgenlaser zum heutigen Stand noch nicht sehr weit verbreitet, was vorwiegend auf eine zu geringe Pulsenergie und für manche Anwendungen nicht hinreichende Strahlqualität zurückzuführen ist. In diesem Zusammenhang wurden in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt. Die gleichzeitige Weiterentwicklung von Pumplasersystemen und Pumpmechanismen ermöglichte es, kompakte Röntgenlaserquellen mit bis zu 100 Hz zu betreiben. Um gleichzeitig höhere Pulsenergien, höhere Strahlqualität und volle räumliche Kohärenz zu erhalten, wurden intensive Studien theoretischer und experimenteller Natur durchgeführt. In diesem Kontext wurde in der vorliegenden Arbeit ein experimenteller Aufbau zur Kombination von zwei Röntgenlaser-Targets entwickelt, die sogenannte Butterfly-Konfiguration. Der erste Röntgenlaser wird dabei als sogenannter Seed für das zweite, als Verstärker dienende Röntgenlasermedium verwendet (injection-seeding). Aufrndiese Weise werden störende Effekte vermieden, welche beim Entstehungsprozessrndes Röntgenlasers durch die Verstärkung von spontaner Emission zustande kom-rnmen. Unter Verwendung des ebenfalls an der GSI entwickelten Double-Pulse Gra-rnzing Incidence Pumpschemas ermöglicht das hier vorgestellte Konzept, erstmaligrnbeide Röntgenlasertargets effizient und inklusive Wanderwellenanregung zu pum-rnpen.rnBei einer ersten experimentellen Umsetzung gelang die Erzeugung verstärkter Silber-Röntgenlaserpulse von 1 µJ bei 13.9 nm Wellenlänge. Anhand der gewonnenen Daten erfolgte neben dem Nachweis der Verstärkung die Bestimmung der Lebensdauer der Besetzungsinversion zu 3 ps. In einem Nachfolgeexperiment wurden die Eigenschaften eines Molybdän-Röntgenlaserplasmas näher untersucht. Neben dem bisher an der GSI angewandten Pumpschema kam in dieser Strahlzeit noch eine weitere Technik zum Einsatz, welche auf einem zusätzlichen Pumppuls basierte. In beiden Schemata gelang neben dem Nachweis der Verstärkung die zeitliche und räumliche Charakterisierung des Verstärkermediums. Röntgenlaserpulse mit bis zu 240 nJ bei einer Wellenlänge von 18.9 nm wurden nachgewiesen. Die erreichte Brillanz der verstärkten Pulse lag ca. zwei Größenordnungen über der des ursprünglichen Seeds und mehr als eine Größenordnung über der Brillanz eines Röntgenlasers, dessen Erzeugung auf der Verwendung eines einzelnen Targets basierte. Das in dieser Arbeitrnentwickelte und experimentell verifizierte Konzept birgt somit das Potential, extrem brillante plasmabasierte Röntgenlaser mit vollständiger räumlicher und zeitlicher Kohärenz zu erzeugen.rnDie in dieser Arbeit diskutierten Ergebnisse sind ein wesentlicher Beitrag zu der Entwicklung eines Röntgenlasers, der bei spektroskopischen Untersuchungen von hochgeladenen Schwerionen eingesetzt werden soll. Diese Experimente sind amrnExperimentierspeicherring der GSI und zukünftig auch am High-Energy StoragernRing der FAIR-Anlage vorgesehen.rn

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 ablation and induced nano-particle synthesis

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

Numerical study of the laser-tip coupling in surface plasmon assisted stacked-double-gate field emitter arrays

Recently, sub-wavelength-pitch stacked double-gate metal nanotip arrays have been proposed to realize high current, high brightness electron bunches for ultrabright cathodes for x-ray free-electron laser applications. With the proposed device structure, ultrafast field emission of photoexcited electrons is efficiently driven by vertical incident near infrared laser pulses, via near field coupling of the surface plasmon polariton resonance of the gate electrodes with the nanotip apex. In this work, in order to gain insight in the underlying physical processes, the authors report detailed numerical studies of the proposed device. The results indicate the importance of the interaction of the double-layer surface plasmon polariton, the position of the nanotip, as well as the incident angle of the near infrared laser pulses.

Laser Shock Microformingof Thin Metal Sheets with ns Lasers

Continuous and long-pulse lasers have been used for the forming of metal sheets in macroscopic mechanical applications. However, for the manufacturing of micro-electromechanical systems (MEMS), the use of ns laser pulses provides a suitable parameter matching over an important range of sheet components that, preserving the short interaction time scale required for the predominantly mechanical (shock) induction of deformation residual stresses, allows for the successful processing of components in a medium range of miniaturization without appreciable thermal deformation.. In the present paper, the physics of laser shock microforming and the influence of the different experimental parameters on the net bending angle are presented.