Turn-on-time statistics of modulated lasers subjected to resonant weak optical feedback

We present analytical calculations of the turn-on-time probability distribution of intensity-modulated lasers under resonant weak optical feedback. Under resonant conditions, the external cavity round-trip time is taken to be equal to the modulation period. The probability distribution of the solitary laser results are modified to give reduced values of the mean turn-on-time and its variance. Numerical simulations have been carried out showing good agreement with the analytical results.

Nd:YAG Laser Welding of 5083 Aluminium Alloy using Filler Wire

High reflectivity and high thermal conductivity, high vapour pressure of alloyingelements as well as low liquid surface tension and low ionisation potential, make laser welding of aluminium and its alloys a demanding task.Problems that occur during welding are mainly process instabilities of the keyhole and the melt pool, increased plasma formation above the melt pool and loss of alloying elements. These problems lead to unwanted metallurgical defects like hot cracks and porosity in the weld bead andother problems concerning the shape and appearance of the weld bead. In order to minimise the defects and improve the weld quality, the process and beam parameters need to be carefully adjusted along with a consideration concerning the use of filler wire for the welding process. In this work the welding of 3,0 mm thick grade 5083 aluminium alloy plates using a 3,0 kW Nd:YAG laser with grade 5183 filler wire addition is investigated. The plates were welded as butt joints with air gap sizes 0,5 mm, 0,7mm and 1,0 mm. The analysis of the weld beads obtained from the weldedsamples showed that the least imperfections were produced with 0,7 mm air gaps at moderate welding speeds. The analysis also covered the calculation of the melting efficiency and the study of the shape of the weld bead. The melting efficiency was on average around 20 % for the melting process of the welded plates. The weld beads showed the characteristic V-shape of a laser weld and retained this shape during the whole series of experiments.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Laser emission from transversely pumped dye-doped free-standing polymer film

We present a compact solid-state laser based on leaky mode propagation from a dye-doped polymer free-standing film waveguide. The edge emitted spectrum clearly indicated the existence of periodic resonant modes. The reflections from the lateral faces of the free-standing film provided the optical feedback thus giving rise to a Fabry–Perot like optical cavity. This together with the guidance through the gain medium gave rise to intense narrow emission lines. For a pump energy of 1.82 mJ/pulse, an intense line with FWHM ∼0.4 nmwas observed at 576.5 nm.

Laser emission from transversely pumped dye-doped free-standing polymer film

We present a compact solid-state laser based on leaky mode propagation from a dye-doped polymer free-standing film waveguide. The edge emitted spectrum clearly indicated the existence of periodic resonant modes. The reflections from the lateral faces of the free-standing film provided the optical feedback thus giving rise to a Fabry–Perot like optical cavity. This together with the guidance through the gain medium gave rise to intense narrow emission lines. For a pump energy of 1.82 mJ/pulse, an intense line with FWHM ∼0.4 nmwas observed at 576.5 nm.

Laser emission from transversely pumped dye-doped free-standing polymer film

We present a compact solid-state laser based on leaky mode propagation from a dye-doped polymer free-standing film waveguide. The edge emitted spectrum clearly indicated the existence of periodic resonant modes. The reflections from the lateral faces of the free-standing film provided the optical feedback thus giving rise to a Fabry–Perot like optical cavity. This together with the guidance through the gain medium gave rise to intense narrow emission lines. For a pump energy of 1.82 mJ/pulse, an intense line with FWHM ∼0.4 nmwas observed at 576.5 nm.

Photothermal Characterization of Nanogold Under Conditions of Resonant Excitation and Energy Transfer

We have performed thermal diffusion measurements of nanofluid containing gold and rhodamine 6G dye in various ratios. At certain concentrations, gold is nearly four times more efficient than water in dissipating small temperature fluctuations in a medium, and therefore it will find applications as heat transfer fluids. We have employed dual-beam mode-matched thermal lens technique for the present investigation. It is a sensitive technique in measuring photothermal parameters because of the use of a lowpower, stabilized laser source as the probe. We also present the results of fluorescence measurements of the dye in the nanogold environment.

Studies on laser induced optogalvanic effect in certain gas discharges

Electrical gas discharges have been the subject of numerous investigations from the last century due to their growing interest in technological and fundamental applications. Absorption of electromagnetic radiation by a gas discharge result into a change in electrical impedance due to a significant perturbations in the steady state population of excited levels and the degree of ionization. This change in impedance produced by resonant absorption of radiation is known as optogalvanic COG) effect. where as that is produced by injecting electrons in to the discharge by photoelectric emission is usually known as photoemission optogalvanic (FOG) effect. With the development of lasers and sophisticated electronic equipment. these effects have established their importance in analytical and spectroscopic measurements. The present thesis deals with the work carried out by the author in the field optogalvanic effect during the past few years at the Department of Physics in Cochin University of Science| and "Fechnology. The results and the observation are summarized in nine chapters and the references to the literature is made at the end of each chapter

Liquid ultraviolet matrix-assisted laser desorption/ionization - mass spectrometry for automated proteomic analysis

We have combined several key sample preparation steps for the use of a liquid matrix system to provide high analytical sensitivity in automated ultraviolet -- matrix-assisted laser desorption/ionisation -- mass spectrometry (UV-MALDI-MS). This new sample preparation protocol employs a matrix-mixture which is based on the glycerol matrix-mixture described by Sze et al. The low-femtomole sensitivity that is achievable with this new preparation protocol enables proteomic analysis of protein digests comparable to solid-state matrix systems. For automated data acquisition and analysis, the MALDI performance of this liquid matrix surpasses the conventional solid-state MALDI matrices. Besides the inherent general advantages of liquid samples for automated sample preparation and data acquisition the use of the presented liquid matrix significantly reduces the extent of unspecific ion signals in peptide mass fingerprints compared to typically used solid matrices, such as 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB) or alpha-cyano-hydroxycinnamic acid (CHCA). In particular, matrix and low-mass ion signals and ion signals resulting from cation adduct formation are dramatically reduced. Consequently, the confidence level of protein identification by peptide mass mapping of in-solution and in-gel digests is generally higher.

Liquid ultraviolet matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry for automated proteomic analysis

We have combined several key sample preparation steps for the use of a liquid matrix system to provide high analytical sensitivity in automated ultraviolet - matrix-assisted laser desorption/ ionisation - mass spectrometry (UV-MALDI-MS). This new sample preparation protocol employs a matrix-mixture which is based on the glycerol matrix-mixture described by Sze et al. U. Am. Soc. Mass Spectrom. 1998, 9, 166-174). The low-ferntomole sensitivity that is achievable with this new preparation protocol enables proteomic analysis of protein digests comparable to solid-state matrix systems. For automated data acquisition and analysis, the MALDI performance of this liquid matrix surpasses the conventional solid-state MALDI matrices. Besides the inherent general advantages of liquid samples for automated sample preparation and data acquisition the use of the presented liquid matrix significantly reduces the extent of unspecific ion signals in peptide mass fingerprints compared to typically used solid matrices, such as 2,5-dihydrox-ybenzoic acid (DHB) or alpha-cyano-hydroxycinnamic acid (CHCA). In particular, matrix and lowmass ion signals and ion signals resulting from cation adduct formation are dramatically reduced. Consequently, the confidence level of protein identification by peptide mass mapping of in-solution and in-gel digests is generally higher.

Pre-resonant Raman effect of CrO2- 4 in a metasilicate glass

Pre-resonant Raman effect of chromate ion, CrO2- 4, was observed in a metasilicate glass with molar composition 2Na2O · 1CaO · 3SiO2 containing 1.0 wt% of Cr2O3. Raman spectra were measured by the conventional 90° scattering geometry and by the microprobe Raman spectroscopic techniques. The presence of chromate ions in the glass is favoured by the glass composition and oxidizing conditions during the glass melting, and they are responsible for optical absorption bands at 370 and 250 nm. Raman spectrum of the undoped glass presents bands at 625, 860 and 980 cm-1, and the presence of chromate ions gives rise to additional bands at 365, 850 and a shoulder at 890 cm-1. An enhancement of the 850 cm-1 Raman band is observed with decreasing laser exciting wavelength. The exciting frequency dependence of the intensity of this band is discussed in terms of theoretical models given in the literature.

Optical filters and resonant cavities based on di-ureasil organic–inorganic hybrids

Sol–gel derived poly(oxyethylene)/siloxane organic–inorganic di-ureasil hybrids containing different amounts (20–60% mol) of methacrylic acid (McOH) modified zirconium oxo-clusters (Zr-OMc) were processed as thin films and transparent and shape controlled monoliths. Laser direct writing was used to create channel waveguides, Bragg gratings, Fabry–Perot cavities and optical filters. The resulting Fabry–Perot optical cavity displays a free spectral range of 16.55 GHz and a fringe intensity contrast of 5.35 dB. Optical rejection values between 6.7 and 10.4 dB were obtained by varying the amount of the Zr-OMc oxo-clusters.

Optische Spektroskopie an Fermium (Z=100)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals Laser-Atomspektroskopie an einem Element durchgeführt, für das bisher keine atomaren Niveaus bekannt waren. Die Experimente wurden am Element Fermium mit der Ordnungszahl Z=100 mit der Resonanzionisationsspektroskopie (RIS) in einer Puffergaszelle durchgeführt. Verwendet wurde das Isotop 255Fm mit einer Halbwertszeit von 20.1 h, das im Hochflusskernreaktor des ORNL, Oak Ridge, USA, hergestellt wurde. Die von einem elektrochemischen Filament in das Argon-Puffergas bei einer Temperatur von 960(20)°C abgedampften Fm-Atome wurden mit Lasern in einem Zweistufenprozess resonant ionisiert. Dazu wurde das Licht eines Excimerlaser gepumpten Farbstofflasers für den ersten Anregungsschritt um die Wellenlänge 400 nm durchgestimmt. Ein Teil des Excimer (XeF) Laser Pumplichtes mit den Wellenlänge 351/353 nm wurde für die nicht-resonante Ionisation verwendet. Die Ionen wurden mit Hilfe elektrischer Felder aus der optischen Zelle extrahiert und nach einem Quadrupol Massenfilter mit einem Channeltron-Detektor massenselektiv nachgewiesen. Trotz der geringen Probenmenge von 2.7 x 10^10 eingesetzten Atomen wurden zwei atomare Resonanzen bei Energien von 25099.8(2) cm-1 und 25111.8(2) cm-1 gefunden und das Sättigungsverhalten dieser Linien gemessen. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl das spektrale Profil der sättigungsverbreiterten Linien als auch die Sättigungskurven beschreibt. Durch Anpassung an die Messdaten konnten die partiellen Übergangsraten in den 3H6 Grundzustand Aki=3.6(7) x 10^6/s und Aki=3.6(6) x 10^6/s bestimmt werden. Der Vergleich der Niveauenergien und Übergangsraten mit Multikonfigurations Dirac-Fock Rechnungen legt die spektroskopische Klassifizierung der beobachteten Niveaus als 5f12 7s7p 5I6 und 5G6 Terme nahe. Weiterhin wurde ein Übergang bei 25740 cm-1 gefunden, der aufgrund der beobachteten Linienbreite von 1000 GHz als Rydbergzustand Zustand mit der Niveauenergie 51480 cm-1 interpretiert wurde und über einen Zweiphotonen Prozess angeregt werden kann. Basierend auf dieser Annahme wurde die Obergrenze für die Ionisationsenergie IP = 52140 cm-1 = 6.5 eV abgeschätzt. In den Messungen wurden Verschiebungen in den Zeitverteilungsspektren zwischen den mono-atomaren Ionen Fm+ und Cf+ und dem Molekül-Ion UO+ festgestellt und auf Driftzeitunterschiede im elektrischen Feld der gasgefüllten optischen Zelle zurückgeführt. Unter einfachen Modellannahmen wurde daraus auf die relativen Unterschiede Delta_r(Fm+,Cf+)/r(Cf+) ˜ -0.2 % und Delta_r(UO+,Cf+)/r(Cf+) ˜ 20 % in den Ionenradien geschlossen. Über die Bestimmung der Abnahme der Fm-a Aktivität des Filamentes auf der einen Seite und die Messung der Resonanzzählrate auf der anderen Seite, wurde die Nachweiseffizienz der Apparatur zu 4.5(3) x 10^-4 bestimmt. Die Nachweisapparatur wurde mit dem Ziel weiterentwickelt, Laserspektroskopie am Isotop 251Fm durchzuführen, das über die Reaktion 249Cf(a,2n)251Fm direkt in der optischen Zelle erzeugt werden soll. Das Verfahren wurde am chemischen Homolog Erbium getestet. Dabei wurde das Isotop 163Er über die Reaktion 161Dy(a,2n)163Er erzeugt und nach Resonanzionisation nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Methode wurde zu 1 x 10^-4 bestimmt.

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.

Elementspeziation von Neptunium im Ultraspurenbereich

In der vorliegenden Arbeit wurde der Nachweis des Isotops Np-237 mit Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) entwickelt und optimiert. Bei RIMS werden Probenatome mehrstufig-resonant mit Laserstrahlung angeregt, ionisiert und anschließend massenspektrometrisch nachgewiesen. Die Bestimmung geeigneter Energiezustände für die Anregung und Ionisation von Np-237 erfolgte durch Resonanzionisationsspektroskopie (RIS), wobei über 300 bisher unbekannte Energieniveaus und autoionisierende Zustände von Np-237 identifiziert wurden. Mit in-source-RIMS wird für das Isotop eine Nachweisgrenze von 9E+5 Atome erreicht. rnrnDie Mobilität von Np in der Umwelt hängt stark von seiner Elementspeziation ab. Für Sicherheitsanalysen potentieller Endlagerstandorte werden daher Methoden benötigt, die Aussagen über die unter verschiedenen Bedingungen vorliegenden Neptuniumspezies ermöglichen. Hierzu wurde eine online-Kopplung aus Kapillarelektrophorese (CE) und ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) genutzt, mit der die Np-Redoxspezies Np(IV) und Np(V) noch bei einer Konzentrationen von 1E-9 mol/L selektiv nachgewiesen werden können. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die Wechselwirkung des Elements mit Opalinuston unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Gegenwart von Fe(II) Np(V) zu Np(IV) reduziert wird und dieses am Tongestein sorbiert. Dies führt insgesamt zu einer deutlich erhöhten Sorption des Np am Ton.