Design and Applications of a Decade-Spanning Terahertz Frequency Comb Spectrometer: Doppler-limited Rotational Spectroscopy of Methanol and Methanol-OD

This thesis details the design and applications of a terahertz (THz) frequency comb spectrometer. The spectrometer employs two offset locked Ti:Sapphire femtosecond oscillators with repetition rates of approximately 80 MHz, offset locked at 100 Hz to continuously sample a time delay of 12.5 ns at a maximum time delay resolution of 15.6 fs. These oscillators emit continuous pulse trains, allowing the generation of a THz pulse train by the master, or pump, oscillator and the sampling of this THz pulse train by the slave, or probe, oscillator via the electro-optic effect. Collecting a train of 16 consecutive THz pulses and taking the Fourier transform of this pulse train produces a decade-spanning frequency comb, from 0.25 to 2.5 THz, with a comb tooth width of 5 MHz and a comb tooth spacing of ~80 MHz. This frequency comb is suitable for Doppler-limited rotational spectroscopy of small molecules. Here, the data from 68 individual scans at slightly different pump oscillator repetition rates were combined, producing an interleaved THz frequency comb spectrum, with a maximum interval between comb teeth of 1.4 MHz, enabling THz frequency comb spectroscopy.

The accuracy of the THz frequency comb spectrometer was tested, achieving a root mean square error of 92 kHz measuring selected absorption center frequencies of water vapor at 10 mTorr, and a root mean square error of 150 kHz in measurements of a K-stack of acetonitrile. This accuracy is sufficient for fitting of measured transitions to a model Hamiltonian to generate a predicted spectrum for molecules of interest in the fields of astronomy and physical chemistry. As such, the rotational spectra of methanol and methanol-OD were acquired by the spectrometer. Absorptions from 1.3 THz to 2.0 THz were compared to JPL catalog data for methanol and the spectrometer achieved an RMS error of 402 kHz, improving to 303 kHz when excluding low signal-to-noise absorptions. This level of accuracy compares favorably with the ~100 kHz accuracy achieved by JPL frequency multiplier submillimeter spectrometers. Additionally, the relative intensity performance of the THz frequency comb spectrometer is linear across the entire decade-spanning bandwidth, making it the preferred instrument for recovering lineshapes and taking absolute intensity measurements in the THz region. The data acquired by the Terahertz Frequency Comb Spectrometer for methanol-OD is of comparable accuracy to the methanol data and may be used to refine the fit parameters for the predicted spectrum of methanol-OD.

Kohärente transiente und effiziente Endzustandskontrolle in Atomen und Molekülen

Es ist ein lang gehegter Traum in der Chemie, den Ablauf einer chemischen Reaktion zu kontrollieren und das Aufbrechen und Bilden chemischer Bindungen zu steuern. Diesem Ziel verschreibt sich auch das Forschungsgebiet der Femtochemie. Hier werden Femtosekunden Laserpulse eingesetzt um auf dem Quantenlevel molekulare Dynamiken auf ihren intrinsischen Zeitskalen zu kontrollieren und das System selektiv und effizient von einem Anfangs- in einen Zielzustand zu überführen. Der Wunsch, mit geformten Femtosekunden Laserpulsen Kontrolle über transiente Dynamiken und finale Populationen auszuüben, zu beobachten und zu verstehen, bildet auch die Motivation für diese Arbeit. Hierzu wurden mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie Untersuchungen zur Wechselwirkung atomarer und molekularer Prototypsysteme mit intensiven, geformten Femtosekunden Laserpulsen durchgeführt. Die Verwendung von Modelsystemen ermöglicht es, grundlegende Mechanismen der kohärenten Kontrolle in intensiven Laserfeldern zu analysieren, ohne dass sie durch komplexe Wechselwirkungen verschleiert werden. Zunächst wurde die Wechselwirkung von Kaliumatomen mit gechirpten Femtosekunden Laserpulsen untersucht. In den Experimenten wurden sowohl transiente Dynamiken als auch die Endbesetzungen der elektronischen Zustände abgebildet. In den folgenden Experimenten wurde das Quantenkontrollszenario SPODS auf die gekoppelte Elektronen-Kern-Dynamik in Molekülen übertragen. Die Kontrolle basiert auf der Erzeugung und Manipulation von Ladungsoszillationen durch Pulssequenzen. Der letzte Teil widmet sich der Entwicklung adiabatischer Kontrollmechanismen in Molekülen. Bei den Experimenten wurden gechirpte Airypulse eingesetzt um robuste Starkfeldanregung in molekularen Systemen zu induzieren. In Zukunft wird die Erforschung immer komplexerer Moleküle im Rahmen der transienten Kontrolle im Fokus stehen. Dabei werden nicht nur die effiziente Besetzung gebundener Zustände von Interesse sein, sondern auch die gezielte Dissoziation in spezifische Fragmente, photoinduzierte Isomerisierungsreaktionen oder die Kontrolle über transiente Dynamiken, die Einfluss auf andere molekulare Eigenschaften haben. Vor dem Hintergrund dieses übergeordneten Wunsches, photochemische Reaktionen immer komplexerer Moleküle, bis hin zu großen, biologisch relevanten Molekülen, zu kontrollieren, ist es umso wichtiger, die zugrundeliegenden Anregungsmechanismen in einfachen Systemen nachzuvollziehen. In den hier präsentierten Experimenten wurde gezeigt, wie die simultane Beobachtung der bekleideten und der stationären Zustände in atomaren Systemen zu einem umfassenden Bild der lichtinduzierte Dynamiken führen kann. Die gewonnenen Erkenntnisse können auf die Steuerung gekoppelter Dynamiken übertragen werden, durch die Kontrolle auch in molekularen Systemen möglich wird.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.

Índice acumulativo de riesgo (nice) como prueba diagnóstica con base en tomografía corneal por elevación en la prevención de ectasia corneal post-lasik

Antecedentes La ectasia corneal post-lasik (ECPL) es una complicación infrecuente, pero devastadora en la cirugía lasik (queratomileusis asistida con éxcimer láser) para el tratamiento de la miopía con o sin astigmatismo. Con base en la tomografía corneal por elevación por imágenes de Scheimpflug (Sistema Pentacam HR, Oculus Wetzlar, Alemania), se propone un novedoso índice acumulativo de riesgo para ser utilizado como prueba diagnóstica de tamizaje y así prevenir esta complicación. Metodología Se realizó un estudio observacional analítico, de corte transversal tipo pruebas diagnósticas, con el fin de evaluar las características operativas del índice NICE teniendo como estándar de referencia el módulo de Belin-Ambrosio (Pentacam HR) utilizando un modelo de regresión logística binaria, tablas de contingencia y estimando el área bajo la curva ROC. Resultados Se evaluaron 361 ojos de los cuales el 59,3% provenían de pacientes de sexo femenino, la edad media global fue de 30 años (RIC 11,0). El modelo logístico binario aplicado se construyó con base en cuatro variables independientes cuantitativas (K2, PAQUI, EP e I-S) y una cualitativa (SEXO), y se determinó su relación con la variable dependiente, NICE (puntaje final). Las variables predictoras fueron estadísticamente significativas clasificando adecuadamente el 92,9% de los ojos evaluados según presencia o ausencia de riesgo. El coeficiente de Nagelkerke fue de 74,4%. Conclusiones El índice acumulativo de riesgo NICE es una herramienta diagnóstica novedosa en la evaluación de candidatos a cirugía refractiva lasik para prevenir la ectasia secundaria.

Solid state micro and nanopore sensors for single entity detection

A general description of the work presented in this thesis can be divided into three areas of interest: micropore fabrication, nanopore modification, and their applications. The first part of the thesis is related to the novel, reliable, cost-effective, potable, mass-productive, robust, and ease of use micropore flowcell that works based on the RPS technique. Based on our first goal, which was finding an alternate materials and processes that would shorten production times while lowering costs and improving signal quality, the polyimide film was used as a substrate to create precise pores by femtosecond laser, and the resulting current blockades of different sizes of the nanoparticles were recorded. Based on the results, the device can detecting nano-sized particles by changing the current level. The experimental and theoretical investigation, scanning electron microscopy, and focus ion beam were performed to explain the micropore's performance. The second goal was design and fabrication of a leak-free, easy-to-assemble, and portable polymethyl methacrylate flowcell for nanopore experiments. Here, ion current rectification was studied in our nanodevice. We showed a self-assembly-based, controllable, and monitorable in situ Poly(l-lysine)- g-poly(ethylene glycol) coating method under voltage-driven electrolyte flow and electrostatic interaction between nanopore walls and PLL backbones. Using designed nanopore flowcell and in situ monolayer PLL-g-PEG functionalized 20±4 nm SiN nanopores, we observed non-sticky α-1 anti-trypsin protein translocation. additionally, we could show the enhancement of translocation events through this non-sticky nanopore, and also, estimate the volume of the translocated protein. In this study, by comparing the AAT protein translocation results from functionalized and non-functionalized nanopore we demonstrated the 105 times dwell time reduction (31-0.59ms), 25% amplitude enhancement (0.24-0.3 nA), and 15 times event’s number increase (1-15events/s) after functionalization in 1×PBS at physiological pH. Also, the AAT protein volume was measured, close to the calculated AAT protein hydrodynamic volume and previous reports.