Synthesis and characterization of Tellurium oxide glasses for photonic applications

Tellurite glasses are photonic materials of special interest to the branch of optoelectronic and communication, due to its important optical properties such as high refractive index, broad IR transmittance, low phonon energy etc. Tellurite glasses are solutions to the search of potential candidates for nonlinear optical devices. Low phonon energy makes it an efficient host for dopant ions like rare earths, allowing a better environment for radiative transitions. The dopant ions maintain majority of their individual properties in the glass matrix. Tellurites are less toxic than chalcogenides, more chemically and thermally stable which makes them a highly suitable fiber material for nonlinear applications in the midinfrared and they are of increased research interest in applications like laser, amplifier, sensor etc. Low melting point and glass transition temperature helps tellurite glass preparation easier than other glass families. In order to probe into the versatility of tellurite glasses in optoelectronic industry; we have synthesized and undertaken various optical studies on tellurite glasses. We have proved that the highly nonlinear tellurite glasses are suitable candidates in optical limiting, with comparatively lower optical limiting threshold. Tuning the optical properties of glasses is an important factor in the optoelectronic research. We have found that thermal poling is an efficient mechanism in tuning the optical properties of these materials. Another important nonlinear phenomenon found in zinc tellurite glasses is their ability to switch from reverse saturable absorption to saturable absorption in the presence of lanthanide ions. The proposed thesis to be submitted will have seven chapters

Lipase Production by Candida rugosa

Strain improvement is one of the major objectives for maximizing the microbial production of industrially significant primary and secondary metabolites. This goal can be achieved by judicious tuning of the organisms by monitoring its growth parameters and optimizing adequate supply of micro and macro nutrients, inducers, pH, temperature and other factors which control fermentation. Though C. rugosa has been under extensive studies for lipases, maximum world production is only 36 units. In fact, in India, enhanced production conditions for lipases have not yet been initiated. C. rugosa has been cultivated in diverse environments like liquid, semi-solid, solid—state and immobilized conditions, though major emphasis is on SmF or suspension culture. Hence the present investigations mainly focused on increasing the yield by adjusting the physico-chemical growth parameters and to characterize the lipase isoforms secreted by C. rugosa in the culture medium. Maximum possible improved methods were investigated to achieve these objectives. Within this under-optimised background, enhancement of lipase production and its characterization were investigated, employing modified liquid, semi-solid, solid—state and immobilized fermentation strategies

Development and parametric studies of pulsed nitrogen and d-switched nd:glass lasers and some of their applications

Laser engineering is an area in which developments in the existing design concepts and technology appear at an alarming rate. Now—a-days, emphasis has shifted from innovation to cost reduction and system improvement. To a major extent, these studies are aimed at attaining larger power densities, higher system efficiency and identification of new lasing media and new lasing wavelengths. Todate researchers have put to use all the ditferent Forms of matter as lasing material. Laser action was observed For the first time in a gaseous system - the He-Ne system. This was Followed by a variety of solidstate and gas laser systems. Uarious organic dyes dissolved in suitable solvents were found to lase when pumped optically. Broad band emission characteristics of these dye molecules made wavelength tuning possible using optical devices. Laser action was also observed in certain p-n junctions of semiconductor materials and some of these systems are also tunable. The recent addition to this list was the observation of laser action from certain laser produced plasmas. The purpose of this investigation was to examine the design and Fabrication techniques of pulsed Nitrogen lasers and high power Nd: Glass laserso Attempt was also made to put the systems developed into certain related experiments

Investigations on Nonlinear and Radiative Properties of Certain Phatonic Materials

Light in its physical and philosophical sense has captured the imagination of human mind right from the dawn of civilization. The invention of lasers in the 60’s caused a renaissance in the field of optics. This intense, monochromatic, highly directional radiation created new frontiers in science and technology. The strong oscillating electric field of laser radiation creates a. polarisation response that is nonlinear in character in the medium through which it passes and the medium acts as a new source of optical field with alternate properties. It was in this context, that the field of optoelectronics which encompasses the generation, modulation, transmission etc. of optical radiation has gained tremendous importance. Organic molecules and polymeric systems have emerged as a class of promising materials of optoelectronics because they offer the flexibility, both at the molecular and bulk levels, to optimize the nonlinearity and other suitable properties for device applications. Organic nonlinear optical media, which yield large third-order nonlinearities, have been widely studied to develop optical devices like high speed switches, optical limiters etc. Transparent polymeric materials have found one of their most promising applicationsin lasers, in which they can be used as active elements with suitable laser dyes doped in it. The solid-matrix dye lasers make possible combination of the advantages of solid state lasers with the possibility of tuning the radiation over a broad spectral range. The polymeric matrices impregnated with organic dyes have not yet widely used because of the low resistance of the polymeric matrices to laser damage, their low dye photostability, and low dye stability over longer time of operation and storage. In this thesis we investigate the nonlinear and radiative properties of certain organic materials and doped polymeric matrix and their possible role in device development

Thermal characterisation of dye-intercalated K-10 montmorillonite ceramics using photoacoustic technique

Thermal diffusivity (TD) measurements were performed on some industrially important dyes – auramine O (AO), malachite green and methylene blue (MB) – adsorbed K-10 montmorillonites using photoacoustic method. The TD value for the dye-adsorbed clay mineral was observed to change with a variation in dye concentration. The contribution of the dye towards TD was also determined. The repeatedly adsorbed samples with MB and AO exhibited a lower TD than the single-adsorbed samples. TD values of sintered MB samples were also obtained experimentally. These sintered samples exhibit a higher TD, although they show a trend similar to that of non-sintered pellets. A variation in dye concentration and sintering temperature can be used for tuning the TD value of the clay mineral to the desired level

Effect of cobalt doping on the magnetic properties of superparamagnetic g-Fe2O3-polystyrene nanocomposites

Superparamagnetic nanocomposites based on g-Fe2O3 and sulphonated polystyrene have been synthesized by ion exchange process and the preparation conditions were optimized. Samples were subjected to cycling to study the effect of cycling on the magnetic properties of these composites. The structural and magnetization studies have been carried out. Magnetization studies show the dependence of magnetization on the number of ion exchange cycles. Doping of cobalt at the range in to the g-Fe2O3 lattice was effected in situ and the doping was varied in the atomic percentage range 1–10. The exact amount of cobalt dopant as well as the iron content was estimated by Atomic Absorption Spectroscopy. The effect of cobalt in modifying the properties of the composites was then studied and the results indicate that the coercivity can be tuned by the amount of cobalt in the composites. The tuning of both the magnetization and the coercivity can be achieved by a combination of cycling of ion exchange and the incorporation of cobalt

Synthesis, Characterization and Applications of Hybrid Nanocomposites of TiO2 With Conducting Polymers

A nanocomposite is a multiphase solid material where one of the phases has one, two or three dimensions of less than 100 nanometers (nm), or structures having nano-scale repeat distances between the different phases that make up the material. In the broadest sense this definition can include porous media, colloids, gels and copolymers, but is more usually taken to mean the solid combination of a bulk matrix and nano-dimensional phase(s) differing in properties due to dissimilarities in structure and chemistry. The mechanical, electrical, thermal, optical, electrochemical, catalytic properties of the nanocomposite will differ markedly from that of the component materials. Size limits for these effects have been proposed, <5 nm for catalytic activity, <20 nm for making a hard magnetic material soft, <50 nm for refractive index changes, and <100 nm for achieving superparamagnetism, mechanical strengthening or restricting matrix dislocation movement. Conducting polymers have attracted much attention due to high electrical conductivity, ease of preparation, good environmental stability and wide variety of applications in light-emitting, biosensor chemical sensor, separation membrane and electronic devices. The most widely studied conducting polymers are polypyrrole, polyaniline, polythiophene etc. Conducting polymers provide tremendous scope for tuning of their electrical conductivity from semiconducting to metallic region by way of doping and are organic electro chromic materials with chemically active surface. But they are chemically very sensitive and have poor mechanical properties and thus possessing a processibility problem. Nanomaterial shows the presence of more sites for surface reactivity, they possess good mechanical properties and good dispersant too. Thus nanocomposites formed by combining conducting polymers and inorganic oxide nanoparticles possess the good properties of both the constituents and thus enhanced their utility. The properties of such type of nanocomposite are strongly depending on concentration of nanomaterials to be added. Conducting polymer composites is some suitable composition of a conducting polymer with one or more inorganic nanoparticles so that their desirable properties are combined successfully. The composites of core shell metal oxide particles-conducting polymer combine the electrical properties of the polymer shell and the magnetic, optical, electrical or catalytic characteristics of the metal oxide core, which could greatly widen their applicability in the fields of catalysis, electronics and optics. Moreover nanocomposite material composed of conducting polymers & oxides have open more field of application such as drug delivery, conductive paints, rechargeable batteries, toners in photocopying, smart windows, etc.The present work is mainly focussed on the synthesis, characterization and various application studies of conducting polymer modified TiO2 nanocomposites. The conclusions of the present work are outlined below, Mesoporous TiO2 was prepared by the cationic surfactant P123 assisted hydrothermal synthesis route and conducting polymer modified TiO2 nanocomposites were also prepared via the same technique. All the prepared systems show XRD pattern corresponding to anatase phase of TiO2, which means that there is no phase change occurring even after conducting polymer modification. Raman spectroscopy gives supporting evidence for the XRD results. It also confirms the incorporation of the polymer. The mesoporous nature and surface area of the prepared samples were analysed by N2 adsorption desorption studies and the mesoporous ordering can be confirmed by low angle XRD measurementThe morphology of the prepared samples was obtained from both SEM & TEM. The elemental analysis of the samples was performed by EDX analysisThe hybrid composite formation is confirmed by FT-IR spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopyAll the prepared samples have been used for the photocatalytic degradation of dyes, antibiotic, endocrine disruptors and some other organic pollutants. Photocatalytic antibacterial activity studies were also performed using the prepared systemsAll the prepared samples have been used for the photocatalytic degradation of dyes, antibiotic, endocrine disruptors and some other organic pollutants. Photocatalytic antibacterial activity studies were also performed using the prepared systems Polyaniline modified TiO2 nanocomposite systems were found to have good antibacterial activity. Thermal diffusivity studies of the polyaniline modified systems were carried out using thermal lens technique. It is observed that as the amount of polyaniline in the composite increases the thermal diffusivity also increases. The prepared systems can be used as an excellent coolant in various industrial purposes. Nonlinear optical properties (3rd order nonlinearity) of the polyaniline modified systems were studied using Z scan technique. The prepared materials can be used for optical limiting Applications. Lasing studies of polyaniline modified TiO2 systems were carried out and the studies reveal that TiO2 - Polyaniline composite is a potential dye laser gain medium.

Investigations on TiO2 Based Nanocomposites as Potential Photonic Materials

This Study overviews the basics of TiO2with respect to its structure, properties and applications. A brief account of its structural, electronic and optical properties is provided. Various emerging technological applications utilising TiO2 is also discussed.Till now, exceptionally large number of fundamental studies and application-oriented research and developments has been carried out by many researchers worldwide in TiO2 with its low-dimensional nanomaterial form due to its various novel properties. These nanostructured materials have shown many favourable properties for potential applications, including pollutant photocatalytic decomposition, photovoltaic cells, sensors and so on. This thesis aims to make an in-depth investigation on different linear and nonlinear optical and structural characteristics of different phases of TiO2. Correspondingly, extensive challenges to synthesise different high quality TiO2 nanostructure derivatives such as nanotubes, nanospheres, nanoflowers etc. are continuing. Here, different nanostructures of anatase TiO2 were synthesised and analysed. Morphologically different nanostructures were found to have different impact on their physical and electronic properties such as varied surface area, dissimilar quantum confinement and hence diverged suitability for different applications. In view of the advantages of TiO2, it can act as an excellent matrix for nanoparticle composite films. These composite films may lead to several advantageous functional optical characteristics. Detailed investigations of these kinds of nanocomposites were also performed, only to find that these nanocomposites showed higher adeptness than their parent material. Fine tuning of these parameters helps researchers to achieve high proficiency in their respective applications. These innumerable opportunities aims to encompass the new progress in studies related to TiO2 for an efficient utilization in photo-catalytic or photo-voltaic applications under visible light, accentuate the future trends of TiO2-research in the environment as well as energy related fields serving promising applications benefitting the mankind. The last section of the thesis discusses the applicability of analysed nanomaterials for dye sensitised solar cells followed by future suggestions.

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

Patent DE10 2004 037 519 B4 “Sensor Process and Device for Determining a Physical Value“. A Proof of Concept

At present, a fraction of 0.1 - 0.2% of the patients undergoing surgery become aware during the process. The situation is referred to as anesthesia awareness and is obviously very traumatic for the person experiencing it. The reason for its occurrence is mostly an insufficient dosage of the narcotic Propofol combined with the incapability of the technology monitoring the depth of the patient’s anesthetic state to notice the patient becoming aware. A solution can be a highly sensitive and selective real time monitoring device for Propofol based on optical absorption spectroscopy. Its working principle has been postulated by Prof. Dr. habil. H. Hillmer and formulated in DE10 2004 037 519 B4, filed on Aug 30th, 2004. It consists of the exploitation of Intra Cavity Absorption effects in a two mode laser system. In this Dissertation, a two mode external cavity semiconductor laser, which has been developed previously to this work is enhanced and optimized to a functional sensor. Enhancements include the implementation of variable couplers into the system and the implementation of a collimator arrangement into which samples can be introduced. A sample holder and cells are developed and characterized with a focus on compatibility with the measurement approach. Further optimization concerns the overall performance of the system: scattering sources are reduced by re-splicing all fiber-to-fiber connections, parasitic cavities are eliminated by suppressing the Fresnel reflexes of all one fiber ends by means of optical isolators and wavelength stability of the system is improved by the implementation of thermal insulation to the Fiber Bragg Gratings (FBG). The final laser sensor is characterized in detail thermally and optically. Two separate modes are obtained at 1542.0 and 1542.5 nm, tunable in a range of 1nm each. Mode Full Width at Half Maximum (FWHM) is 0.06nm and Signal to Noise Ratio (SNR) is as high as 55 dB. Independent of tuning the two modes of the system can always be equalized in intensity, which is important as the delicacy of the intensity equilibrium is one of the main sensitivity enhancing effects formulated in DE10 2004 037 519 B4. For the proof of concept (POC) measurements the target substance Propofol is diluted in the solvents Acetone and DiChloroMethane (DCM), which have been investigated for compatibility with Propofol beforehand. Eight measurement series (two solvents, two cell lengths and two different mode spacings) are taken, which draw a uniform picture: mode intensity ratio responds linearly to an increase of Propofol in all cases. The slope of the linear response indicates the sensitivity of the system. The eight series are split up into two groups: measurements taken in long cells and measurements taken in short cells.

Highly Sensitive Sensor Based On Intracavity Laser Absorption Spectroscopy By Means of Relative Intensity Noise

This thesis concerns with the main aspects of medical trace molecules detection by means of intracavity laser absorption spectroscopy (ICLAS), namely with the equirements for highly sensitive, highly selective, low price, and compact size sensor. A novel two modes semiconductor laser sensor is demonstrated. Its operation principle is based on the competition between these two modes. The sensor sensitivity is improved when the sample is placed inside the two modes laser cavity, and the competition between the two modes exists. The effects of the mode competition in ICLAS are discussed theoretically and experimentally. The sensor selectivity is enhanced using external cavity diode laser (ECDL) configuration, where the tuning range only depends on the external cavity configuration. In order to considerably reduce the sensor cost, relative intensity noise (RIN) is chosen for monitoring the intensity ratio of the two modes. RIN is found to be an excellent indicator for the two modes intensity ratio variations which strongly supports the sensor methodology. On the other hand, it has been found that, wavelength tuning has no effect on the RIN spectrum which is very beneficial for the proposed detection principle. In order to use the sensor for medical applications, the absorption line of an anesthetic sample, propofol, is measured. Propofol has been dissolved in various solvents. RIN has been chosen to monitor the sensor response. From the measured spectra, the sensor sensitivity enhancement factor is found to be of the order of 10^(3) times of the conventional laser spectroscopy.

Untersuchung zum Phosphorylierungsstatus der katalytischen Untereinheit der PKA mittels proteomischer Techniken

ZUSAMMENFASSUNG: Das Phosphorylierungsmuster eines Proteins ist kein statischer Zustand, sondern vielmehr ein dynamischer Status, den es in der modernen funktionellen (Phospho-) Proteomik und Analytik abzubilden gilt. Klassischerweise erfolgt der Nachweis der Proteinphosphorylierung auf Peptid-Ebene mittels MS/MS Sequenzierung. Diese Standardmethode der shotgun Phosphoproteomanalytik vernachlässigt jedoch wegen den in LC MS/MS Analysen oftmals schwer detektierbaren Phosphopeptiden gerade den variablen und oftmals nur geringen Phosphorylierungsgrad vieler Phosphorylierungsstellen (P-Stellen). Mittels phosphospezifischer Anreicherungsstrategien und MS/MS Sequenzierung konnten an der Modellkinase PKA-Cα nach rekombinanter Expression in E. coli insgesamt acht P-Stellen identifiziert werden. Der Phosphorylierungsgrad wurde in Kooperation mit Dr. J. Seidler über quantitative Signalintensitätsmessungen bestimmt und zeigte eine nahezu vollständige Phosphorylierung von pS10, pS139, pT197 und pS338, während der Phosphorylierungsgrad für pS34, pS53, pS65 und pS259 zwischen <5 und 45 % variierte. Neben der Quantifizierung der P-Stellen wurde auch das Auftreten und die Verteilung definierter Phosphoformen der PKA-Cα untersucht und deren Abhängigkeit von der primären Aminosäureabfolge, dem Auftreten von zusätzlichen Modifikationen sowie den gewählten Expressions- und Reinigungsbedingungen aufgezeigt. Endogene, aus Säugergewebe isolierte PKA-Cα wies nur eine einzige Phosphoform mit den P-Stellen pT197 und pS338 auf. Auch in vitro autophosphorylierte rekombinante PKA-Cα, die zuvor dephosphoryliert worden war, wies eine zweifach modifizierte Phosphoform auf. Im Vergleich zum endogenen Protein ließ sich dieses Protein an S10 und S338 exzessiv phosphorylieren, wohingegen an T197 keine Autophosphorylierung nachzuweisen war. Das Ausbleiben weiterer Phosphorylierungen stellt in Frage, ob die Hyperphosphorylierung in E. coli ausschließlich auf Autophosphorylierungsprozessen beruht, was anhand einer nicht phosphorylierten, katalytisch inaktiven Variante von PKA-Cα (PKA-Cα K72H) vermutet wurde. Im Hinblick auf die funktionellen P-Stellen pT197 und pS338 erfordert diese Entdeckung sowie der unabhängige Nachweis, dass zellfrei exprimierte PKA-Cα nur an S338 phosphoryliert ist, eine Modifizierung des sequenziellen Vorhersagemodells, wonach die Phosphorylierung an T197 eine zwingende Voraussetzung für die nachfolgende Phosphorylierung an S338 ist. Ferner konnte über phosphomimetische Mutagenese die Funktionalität der Phosphorylierung an S53 innerhalb der glycinreichen Schleife der PKA-Cα und somit ein potenzieller Weg zur Regulation der enzymatischen Aktivität gezeigt werden. Ein weiterer möglicher upstream Regulator von PKA-Cα ist die Proteinphosphatase 5, die in der Lage war, die bislang als phosphatasestabil beschriebene P Stelle pT197 in vitro zu dephosphorylieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der Phosphorylierungszustand eines Proteins von zahlreichen internen und externen Faktoren abhängt – eine Tatsache, die gerade für rekombinante Proteine, insbesondere enzymatisch aktive Kinasen, oft vernachlässigt wurde. Daher müssen auch in der shotgun Phosphoproteomanalytik P-Stellen nicht mehr nur identifiziert und quantifiziert werden, sondern die resultierenden Proteinphosphoformen differenziert auch in ihrem physiologischen Kontext beschrieben werden.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.